Les scientifiques démontrent le contrôle électrique des transitions de spin atomiques.

27 octobre 2023   fonctionnalité

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par Tejasri Gururaj , Phys.org

Une nouvelle étude publiée dans Nature Communications se penche sur la manipulation des transitions de spin à l'échelle atomique à l'aide d'une tension externe, éclairant la mise en œuvre pratique du contrôle de spin à l'échelle nanométrique pour les applications de calcul quantique.

Les transitions de spin à l'échelle atomique impliquent des changements dans l'orientation du moment angulaire intrinsèque ou du spin d'un atome. Dans le contexte atomique, les transitions de spin sont généralement associées au comportement des électrons.

Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur l'utilisation de champs électriques pour contrôler les transitions de spin. Le fondement de leur recherche était fortuit et motivé par la curiosité.

Le Dr Christian Ast, l'auteur principal de l'Institut Max-Planck pour la recherche sur les solides, a expliqué à Phys.org : « Notre inspiration est née de la simple curiosité. Nous avons développé notre machine et notre méthode expérimentale juste avant le début de ce projet. »

« Alors que nous caractérisions notre nouvelle expérience, nous avons observé quelque chose d'étrange. Nous avons constaté que notre signal change en fonction de la tension de polarisation que nous appliquons dans notre jonction. Le projet et la recherche qui a suivi sont nés de cette observation. »

Les électrons possèdent un spin intrinsèque, qui peut être soit « haut » soit « bas ». Ces états de spin sont souvent représentés par des nombres quantiques, tels que +1/2 pour « haut » et -1/2 pour « bas ». Lorsque les électrons passent d'un de ces états de spin à l'autre, cela peut entraîner divers effets observables.

La manipulation de ces spins est fondamentale pour l'informatique quantique, où les spins des électrons sont utilisés comme qubits, et pour la spintronique, qui améliore le traitement et le stockage des données. Elle a également des répercussions sur la science des matériaux et la physique fondamentale, offrant à la fois des avancées technologiques et scientifiques.

Dans cette étude, la configuration expérimentale était cruciale pour manipuler les spins. Au cœur de l'appareil se trouvait un microscope à effet tunnel à résonance de spin électronique (ESR-STM). L'ESR-STM est un système hybride qui intègre de manière transparente deux techniques puissantes : l'ESR et le STM. Grâce à cette configuration innovante, des atomes et des molécules individuels ont été déposés avec précision sur la surface de l'échantillon, offrant une fenêtre unique sur le monde atomique.

Le Dr Ast a expliqué : « L'ESR-STM combine les capacités de l'ESR et du STM, nous permettant à la fois de résoudre les atomes et les molécules individuels dans un balayage topographique et de les sonder avec un courant électrique. »

Les chercheurs ont choisi d'étudier des molécules individuelles de titanate d'hydrogène (TiH) pour l'échantillon. Le cœur de l'expérience reposait sur l'application stratégique d'une tension de polarisation entre l'échantillon et la pointe du STM.

L'application de cette tension de polarisation a induit un puissant champ électrique dans la jonction tunnel, un espace étroit formé entre la pointe et l'échantillon, où les électrons peuvent traverser.

Les chercheurs ont remarqué que le champ électrique induit affectait la position de la molécule de TiH, modifiant par la suite le facteur g. Le facteur g, ou facteur de Landé, représente la proportionnalité entre le moment angulaire intrinsèque, ou spin, d'un électron et son moment magnétique, fournissant des informations sur son comportement dans un champ magnétique.

De plus, ils ont remarqué que le champ électrique induit permettait à la molécule de TiH d'interagir avec un champ magnétique unique, induit par le spin polarisé de la pointe du STM.

En essence, la tension de polarisation est apparue comme un outil puissant pour manipuler les transitions de spin.

Forts de cette connaissance, les chercheurs ont ensuite exploré l'effet Zeeman. L'effet Zeeman est le phénomène selon lequel les niveaux d'énergie des états de spin électronique dans les molécules individuelles se séparent en présence d'un champ magnétique.

« En appliquant un champ magnétique à notre jonction STM, nous pouvons séparer les niveaux d'énergie de deux états de spin dans les molécules individuelles (effet Zeeman). À partir de là, nous sommes en mesure de détecter des changements dans notre courant électrique si nous appliquons des fréquences radio (pour l'ESR) correspondant à l'énergie de résonance de nos états de spin. D'où le nom de résonance de spin électronique », explique le Dr Ast.

Ils ont également démontré un contrôle électrique direct des transitions de spin dans des dimères couplés de TiH, qui sont des paires de molécules de TiH liées entre elles. Cette réalisation a été rendue possible grâce au couplage à spin-électron, un phénomène où les spins des électrons interagissent les uns avec les autres. Cela a révélé le potentiel d'exploiter le comportement coopératif des états de spin dans ces dimères.

Looking ahead to future research, Dr. Ast explained that his team already had several ideas. 'In our research, we've discovered that changes in spin resonances concerning the electric field are attributed to two factors: variations in the local magnetic field and alterations in the molecule's spin.'

'The exact reasons for these changes when modifying the electric field remain partially unexplained, warranting further investigation. This effect also holds promise for utilizing spin transitions as sensors to detect local electric fields within complex molecules,' he concluded.

This research could open the door for individual atoms to serve as spin qubits in quantum computers, offering a faster alternative to traditional mechanical manipulations. The ability to control spin locally and swiftly through electrical means holds promise for quantum computing applications, where speed is critical to prevent information loss due to decoherence.

Journal information: Nature Communications

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