Une manière alternative de manipuler les états quantiques

Des chercheurs de l’ETH Zurich ont montré que les états quantiques des spins d’un seul électron peuvent être contrôlés par des courants d’électrons dont les spins sont uniformément alignés. À l’avenir, cette méthode pourrait être utilisée dans les éléments de circuits électroniques.

Les électrons ont un moment cinétique intrinsèque, appelé spin, ce qui signifie qu'ils peuvent s'aligner le long d'un champ magnétique, un peu comme l'aiguille d'une boussole. Outre la charge électrique des électrons, qui détermine leur comportement dans les circuits électroniques, leur spin est de plus en plus utilisé pour le stockage et le traitement des données.

On peut déjà acheter des éléments de mémoire MRAM (mémoires magnétiques à accès aléatoire), dans lesquelles les informations sont stockées dans des aimants très petits mais toujours classiques, c'est-à-dire contenant de très nombreux spins électroniques. Les MRAM sont basées sur des courants d’électrons dont les spins sont alignés en parallèle et qui peuvent modifier la magnétisation en un point particulier d’un matériau.

Pietro Gambardella et ses collaborateurs de l'ETH Zurich montrent désormais que de tels courants polarisés en spin peuvent également être utilisés pour contrôler les états quantiques des spins d'un seul électron. Leurs résultats, qui viennent d'être publiés dans la revue Sciencepourrait être utilisé dans différentes technologies à l’avenir, par exemple dans le contrôle des états quantiques des bits quantiques (qubits).

Courants tunnel dans des molécules uniques

“Traditionnellement, les spins des électrons sont manipulés à l'aide de champs électromagnétiques tels que des ondes radiofréquences ou des micro-ondes”, explique Sebastian Stepanow, scientifique principal au laboratoire de Gambardella. Cette technique, également connue sous le nom de résonance paramagnétique électronique, a été développée au milieu des années 1940 et a depuis été utilisée dans différents domaines tels que la recherche sur les matériaux, la chimie ou la biophysique.

“Il y a quelques années, il a été démontré que l'on pouvait induire une résonance paramagnétique électronique dans des atomes uniques ; cependant, jusqu'à présent, le mécanisme exact de cela n'est pas clair”, explique Stepanow.

Pour étudier de plus près les processus de mécanique quantique à l’origine de ce mécanisme, les chercheurs ont préparé des molécules de pentacène (un hydrocarbure aromatique) sur un substrat d’argent. Une fine couche isolante d'oxyde de magnésium avait été préalablement déposée sur le substrat. Cette couche garantit que les électrons de la molécule se comportent plus ou moins comme ils le feraient dans l’espace libre.

À l’aide d’un microscope à effet tunnel, les chercheurs ont d’abord caractérisé les nuages ​​​​d’électrons dans la molécule. Cela implique de mesurer le courant créé lorsque les électrons effectuent un tunnel mécanique quantique depuis la pointe d’une aiguille de tungstène jusqu’à la molécule. Selon les lois de la physique classique, les électrons ne devraient pas pouvoir franchir l’espace entre la pointe de l’aiguille et la molécule car ils n’ont pas l’énergie nécessaire. La mécanique quantique, cependant, permet aux électrons de « passer » à travers l’espace malgré ce manque, ce qui conduit à un courant mesurable.

Aimant miniature sur la pointe d'une aiguille

Ce courant tunnel peut être polarisé en spin en utilisant d'abord la pointe en tungstène pour capter quelques atomes de fer, qui se trouvent également sur la couche isolante. Sur la pointe, les atomes de fer créent une sorte d’aimant miniature. Lorsqu’un courant tunnel traverse cet aimant, les spins des électrons du courant s’alignent tous parallèlement à son magnétisation.

Les chercheurs ont appliqué une tension constante ainsi qu’une tension à oscillation rapide à la pointe en tungstène magnétisée et ont mesuré le courant tunnel résultant. En faisant varier l’intensité des deux tensions et la fréquence de la tension oscillante, ils ont pu observer des résonances caractéristiques dans le courant tunnel. La forme exacte de ces résonances leur a permis de tirer des conclusions sur les processus qui se sont produits entre les électrons tunnel et ceux de la molécule.

Contrôle direct du spin par courants polarisés

À partir des données, Stepanow et ses collègues ont pu tirer deux enseignements. D'une part, les spins électroniques de la molécule de pentacène réagissaient au champ électromagnétique créé par la tension alternative de la même manière que dans la résonance paramagnétique électronique ordinaire. D’un autre côté, la forme des résonances suggérait l’existence d’un processus supplémentaire qui influençait également les spins des électrons dans la molécule.

“Ce processus est ce qu'on appelle le couple de transfert de spin, pour lequel la molécule de pentacène est un système modèle idéal”, explique le docteur. étudiant Stepan Kovarik. Le couple de transfert de spin est un effet dans lequel le spin de la molécule est modifié sous l'influence d'un courant polarisé en spin sans l'action directe d'un champ électromagnétique. Les chercheurs de l’ETH ont démontré qu’il est également possible de créer ainsi des états de superposition de la mécanique quantique du spin moléculaire. De tels états de superposition sont utilisés par exemple dans les technologies quantiques.

“Ce contrôle de spin par des courants polarisés en spin au niveau quantique ouvre diverses applications possibles”, explique Kovarik. Contrairement aux champs électromagnétiques, les courants polarisés en spin agissent très localement et peuvent être pilotés avec une précision inférieure au nanomètre. De tels courants pourraient être utilisés pour adresser très précisément des éléments de circuits électroniques dans des dispositifs quantiques et ainsi, par exemple, contrôler les états quantiques des qubits magnétiques.