Lorsqu'elles sont irradiées par la lumière infrarouge, certaines molécules comme les phtalocyanines métalliques vibrent et génèrent de minuscules champs magnétiques localisés. Les chercheurs ont calculé ces effets et visent à prouver et manipuler expérimentalement ces champs pour des applications potentielles en informatique quantique. Crédit : Issues.fr.com
Les physiciens de la TU Graz ont déterminé que certaines molécules peuvent être stimulées par des impulsions de lumière infrarouge pour générer de petits champs magnétiques. Si les essais expérimentaux réussissent également, cette technique pourrait potentiellement être appliquée aux circuits informatiques quantiques.
Lorsque les molécules absorbent la lumière infrarouge, elles commencent à vibrer lorsqu’elles reçoivent de l’énergie. Andreas Hauser de l'Institut de physique expérimentale de l'Université technologique de Graz (TU Graz) a utilisé ce processus bien compris comme base pour explorer si ces vibrations pouvaient être exploitées pour produire des champs magnétiques. Puisque les noyaux atomiques portent une charge positive, le mouvement de ces particules chargées entraîne la création d’un champ magnétique.
En utilisant l’exemple des phtalocyanines métalliques – des molécules colorantes planes et en forme d’anneau – Andreas Hauser et son équipe ont calculé qu’en raison de leur haute symétrie, ces molécules génèrent en fait de minuscules champs magnétiques de l’ordre du nanomètre lorsque des impulsions infrarouges agissent sur elles.
D'après les calculs, il devrait être possible de mesurer l'intensité du champ, plutôt faible mais localisée de manière très précise, par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans le Journal de l'American Chemical Society.
Danse circulaire des molécules
Pour les calculs, l'équipe s'est appuyée sur des travaux préliminaires datant des premiers jours de la spectroscopie laser, dont certains dataient de plusieurs décennies, et a utilisé la théorie moderne de la structure électronique sur des superordinateurs du Cluster scientifique de Vienne et de la TU Graz pour calculer le comportement des molécules de phtalocyanine lorsqu'elles sont irradiées avec lumière infrarouge polarisée circulairement. Ce qui s'est passé, c'est que les ondes lumineuses polarisées circulairement, c'est-à-dire tordues en hélice, excitent simultanément deux vibrations moléculaires à angle droit l'une par rapport à l'autre.
Andreas Hauser de l'Institut de physique expérimentale de la TU Graz. Crédit : Marteau-poumon – TU Graz
« Comme le savent tous les couples qui dansent la rumba, la bonne combinaison d’avant en arrière et de gauche à droite crée une petite boucle fermée. Et ce mouvement circulaire de chaque noyau atomique affecté crée en réalité un champ magnétique, mais seulement très localement, avec des dimensions de l'ordre de quelques nanomètres», explique Andreas Hauser.
Molécules comme circuits dans les ordinateurs quantiques
En manipulant sélectivement la lumière infrarouge, il est même possible de contrôler l'intensité et la direction du champ magnétique, explique Andreas Hauser. Cela transformerait les molécules en commutateurs optiques de haute précision, qui pourraient peut-être également être utilisés pour construire des circuits pour un ordinateur quantique.
Représentation schématique d'une molécule de phtalocyanine métallique soumise à deux vibrations (rouge et bleu), créant un moment dipolaire électrique rotatif (vert) dans le plan moléculaire et donc un champ magnétique. Crédit : Wilhelmer/Diez/Krondorfer/Hauser – TU Graz
Les expériences comme prochaine étape
En collaboration avec des collègues de l'Institut de physique du solide de la TU Graz et une équipe de l'Université de Graz, Andreas Hauser veut maintenant prouver expérimentalement que des champs magnétiques moléculaires peuvent être générés de manière contrôlée.
« Pour preuve, mais aussi pour de futures applications, il faut que la molécule de phtalocyanine soit posée sur une surface. Cependant, cela modifie les conditions physiques, ce qui influence à son tour l'excitation induite par la lumière et les caractéristiques du champ magnétique », explique Andreas Hauser. « Nous souhaitons donc trouver un matériau de support ayant un impact minimal sur le mécanisme souhaité. »
Dans l'étape suivante, le physicien et ses collègues souhaitent calculer les interactions entre les phtalocyanines déposées, le matériau de support et la lumière infrarouge avant de tester expérimentalement les variantes les plus prometteuses.
L'étude a été financée par le Fonds scientifique autrichien.
