Une équipe de l'EPFL et de l'Université de l'Arizona a découvert que rendre les molécules plus grandes et plus flexibles peut en fait prolonger la durée de vie du flux de charge quantique, une constatation qui pourrait aider à façonner l'avenir des technologies quantiques et du contrôle chimique. Leur étude est publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
Dans le domaine émergent de l'atochimie, les scientifiques utilisent des impulsions laser pour déclencher et orienter le mouvement des électrons à l'intérieur des molécules. Ce degré de précision pourrait un jour nous permettre de concevoir des produits chimiques à la demande. L'artochimie pourrait également permettre un contrôle en temps réel sur la façon dont les liaisons chimiques se cassent ou se forment, conduisent à la création de médicaments très ciblés, à développer de nouveaux matériaux avec des propriétés sur mesure et à améliorer les technologies comme la récolte d'énergie solaire et l'informatique quantique.
Mais le grand barrage routier est la décohérence: les électrons perdent leur « synchronisation » quantique dans quelques Femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde), surtout lorsque la molécule est grande et disquette. Les chercheurs ont essayé différentes méthodes pour maintenir la cohérence – en utilisant des atomes lourds, des températures de congélation, etc. Parce que la cohérence quantique disparaît à des échelles macroscopiques, la plupart des approches pour maintenir la cohérence fonctionnent sur la même hypothèse: les molécules plus grandes et plus flexibles ont été supposées perdre plus rapidement la cohérence. Et si cette hypothèse est mauvaise?
Enquêtant sur la question, trois chercheurs, Alan Scheidegger et Jiří Vaníček à EPFL, et Nikolay Golubev à l'Université de l'Arizona, ont étudié une série de molécules organiques simples, chacune avec des alcyne terminaux et des groupes aldéhyde séparés par une chaîne d'atomes de carbone. Ils ont utilisé des simulations pour montrer que rendre la chaîne de carbone plus longue a en fait aidé les électrons à rester en synchronisation plus longtemps. La découverte pourrait aider à concevoir des molécules qui conservent plus longtemps à leurs propriétés quantiques.
La modélisation de chaque minuscule mouvement d'atomes et d'électrons aurait été trop complexe et impossible de calculer. Les chercheurs ont donc utilisé un raccourci intelligent: ils ont traité les noyaux atomiques – les noyaux lourds des atomes – en se déplaçant selon les règles de la mécanique classique, comme de minuscules balles de billard, mais en tenant compte de leur nature quantique de manière approximative, tout en suivant soigneusement les électrons plus légers en utilisant les lois exactes de la mécanique quantique, en capturant pleinement leur onde et probabile.
Cette approche, appelée dynamique semi-classique, leur a donné une vue détaillée des vibrations atomiques spécifiques a perturbé l'état quantique fragile et lesquels lui permettaient de survivre plus longtemps.
L'étude a révélé que l'ajout d'atomes de carbone ralentit la décohérence. Dans des molécules plus grandes comme le pentynal, certaines vibrations qui perturberaient normalement le débit d'électrons sont devenues beaucoup moins actives ou même disparues. En fait, l'étude a montré que seules les vibrations particulières qui préservent la symétrie de la molécule avaient un impact significatif sur la cohérence. En revanche, les vibrations hors du plan, qui auraient pu provoquer des perturbations, s'est avérée avoir presque aucun effet.
Les chercheurs ont également constaté que la migration de charge a non seulement duré plus longtemps mais est également devenue plus facile à observer. Lorsqu'une molécule perd un électron, il laisse derrière elle un « trou » – une zone de charge positive qui agit comme un électron manquant. Dans la plus grande molécule étudiée, ce trou migrant s'est déplacé plus facilement et de manière prévisible le long de la chaîne de carbone, avec moins de perturbations des vibrations internes.
Ce mouvement plus clair et plus stable permet aux scientifiques d'interventions avec précision avec précision, telles que l'utilisation d'une deuxième impulsion laser pour influencer les réactions chimiques. En bref, rendre la molécule plus grande a aidé à stabiliser la migration de charge au lieu de le perturber.
La cohérence quantique n'est pas seulement un phénomène de laboratoire – il est essentiel pour les technologies comme les ordinateurs quantiques, les capteurs ultra-sensibles et le contrôle chimique basé au laser. L'étude montre qu'en rendant les molécules plus grandes et plus flexibles – sans perdre leur réactivité chimique – les scientifiques peuvent en fait étendre la cohérence quantique et stabiliser la migration de charge.
« La migration des charges est actuellement un domaine de recherche très actif et est au cœur du domaine émergent de l'atochimie, qui repose sur une cohérence électronique soutenue », explique Scheidegger, doctorat. Étudiant à EPFL et auteur principal de l'étude. « Plus largement, l'extension des temps de cohérence est d'un intérêt significatif pour les chercheurs qui développent des technologies quantiques. »
