Des chercheurs de l'ETH Zurich, dirigés par Pietro Gambardella, ont développé une méthode permettant de contrôler les états quantiques des spins d'électrons individuels à l'aide de courants polarisés en spin, ce qui pourrait améliorer les technologies de calcul quantique. Cette nouvelle technique offre un contrôle plus précis et localisé par rapport aux méthodes traditionnelles utilisant des champs électromagnétiques, ce qui pourrait améliorer la manipulation des états quantiques dans des dispositifs tels que les qubits. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont montré comment les courants polarisés en spin peuvent contrôler avec précision les états quantiques dans les spins des électrons, offrant une nouvelle méthode de manipulation des bits quantiques dans l'informatique avancée.
Les électrons possèdent un moment angulaire intrinsèque appelé spin, qui leur permet de s'aligner avec un champ magnétique, de la même manière que l'aiguille d'une boussole fonctionne. Outre leur charge électrique, qui influence leur comportement dans les circuits électroniques, le spin des électrons est de plus en plus utilisé pour le stockage et le traitement des données.
Il existe déjà des mémoires MRAM (magnetic random access memories), dans lesquelles les informations sont stockées dans des aimants très petits mais néanmoins classiques, c'est-à-dire contenant un très grand nombre de spins électroniques. Les MRAM sont basées sur des courants d'électrons dont les spins sont alignés en parallèle et qui peuvent modifier l'aimantation 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'électrons individuels. Leurs résultats, qui viennent d'être publiés dans la revue scientifique Sciencepourrait être utilisé dans différentes technologies à l’avenir, par exemple dans le contrôle des états quantiques des bits quantiques (qubits).
Courants tunnel dans les molécules simples
« Traditionnellement, les spins électroniques sont manipulés à l’aide de champs électromagnétiques tels que les ondes radiofréquences ou les micro-ondes », explique Sebastian Stepanow, chercheur principal dans le laboratoire de Gambardella. Cette technique, également connue sous le nom de résonance paramagnétique électronique, a été développée dès le milieu des années 1940 et est depuis utilisée dans différents domaines tels que la recherche sur les matériaux, la chimie et la biophysique. « Il y a quelques années, il a été démontré qu’il était possible d’induire une résonance paramagnétique électronique dans des atomes individuels, mais le mécanisme exact de ce phénomène n’était pas encore clair », explique Stepanow.
À gauche : molécules de pentacène simples (jaune) sur la couche isolante (bleue). À droite : électrons avec spins alignés en parallèle (petites flèches) qui circulent par tunnel depuis la pointe de tungstène (en haut) jusqu'à la molécule (en bas). Crédit : ETH Zürich / Aishwarya Vishwakarma et Stepan Kovarik
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 permet aux électrons de la molécule de se comporter 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. Pour cela, ils ont mesuré le courant qui se crée lorsque les électrons creusent un tunnel de la pointe d’une aiguille de tungstène vers 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 ne disposent pas de l’énergie nécessaire. La mécanique quantique permet cependant aux électrons de « creuser un tunnel » 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 saisir 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 sa magnétisation.
Les chercheurs ont ensuite appliqué une tension constante ainsi qu'une tension oscillante rapide à la pointe de 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 produisent entre les électrons tunnel et ceux de la molécule.
Contrôle direct du spin par courants polarisés
Les données recueillies ont permis à Stepanow et à ses collègues de tirer deux conclusions. 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’autre part, la forme des résonances suggérait qu’il existait un processus supplémentaire qui influençait également les spins des électrons de la molécule.
« Ce processus est appelé « couple de transfert de spin », pour lequel la molécule de pentacène constitue un système modèle idéal », explique Stepan Kovarik, doctorant. 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 Zurich ont démontré qu’il est également possible de créer de cette manière des états de superposition quantiques du spin moléculaire. De tels états de superposition sont utilisés, par exemple, dans les technologies quantiques.
« Ce contrôle du spin par des courants polarisés en spin au niveau quantique ouvre de nombreuses possibilités d’application », explique Kovarik. Contrairement aux champs électromagnétiques, les courants polarisés en spin agissent de manière très locale et peuvent être contrôlés avec une précision inférieure au nanomètre. Ces courants pourraient être utilisés pour adresser très précisément les éléments de circuits électroniques dans les dispositifs quantiques et ainsi, par exemple, contrôler les états quantiques des qubits magnétiques.
