Pour la première fois, des chercheurs ont observé des triplons, des quasi-particules magnétiques exotiques composant les ondes d’intrication quantique des électrons, passant de l’état de singulet à triplet. Longtemps restées insaisissables, ces ondes ont pu être aperçues grâce aux propriétés particulières d’un aimant quantique artificiel. Cette observation offre d’importantes perspectives d’amélioration dans le domaine de l’informatique quantique et de la cryptographie.
Lorsque deux électrons de spin différents sont combinés, le moment angulaire de leur spin devient nul et le duo forme ce qu’on appelle un singulet d’électron. En revanche, si ces deux électrons possèdent des spins similaires, ils ne s’annulent pas et forment un triplet. En injectant de l’énergie dans un système électronique, il est possible d’exciter les électrons de sorte à les faire passer d’un état de singulet à celui de triplet. Dans certains cas, cette excitation peut se propager à travers un matériau sous la forme d’ondes d’intrication quantique composées de quasi-particules magnétiques « exotiques » appelées triplons. Une intrication quantique se produit lorsque deux ou plusieurs particules partagent les mêmes propriétés.
Étant donné que de telles intrications quantiques ne peuvent se produire dans les matériaux magnétiques conventionnels, les triplons sont extrêmement difficiles à observer dans la nature. Leur mesure au sein de matériaux quantiques reste un défi en vue de leurs caractéristiques inhabituelles. C’est là que les matériaux quantiques artificiels peuvent offrir un avantage considérable. « Ces matériaux sont très complexes. Ils vous proposent une physique très passionnante, mais les plus exotiques sont également difficiles à trouver et à étudier. Nous essayons donc ici une approche différente en construisant un matériau artificiel à l’aide de composants individuels », explique dans un communiqué le chercheur principal de la nouvelle étude, Peter Liljeroth, de l’Université d’Aalto (Finlande). Ces matériaux artificiels permettent d’observer des phénomènes normalement impossibles à apercevoir au sein des matériaux classiques.
Un aimant quantique composé de molécules simples
Le matériau quantique artificiel, conçu dans le cadre de la nouvelle étude, est un aimant quantique composé de molécules organiques. Alors qu’un aimant ordinaire est constitué d’un système bipolaire bien défini, la disposition des pôles d’un aimant quantique est régie selon un principe de probabilité. Au sein de ce type de matériau se déroulent alors des interactions d’électrons conduisant à des phénomènes inhabituels, tels que la supraconductivité à haute température, des états magnétiques complexes et des états électroniques inhabituels. Tout cela en fait un candidat idéal pour l’observation de phénomènes insaisissables dans les milieux naturels, tels que les intrications quantiques à la base des triplons.
L’aimant quantique, décrit dans la revue Physical Review Letters, est constitué de paires de molécules de cobalt-phtalocyanine, dotées chacune de deux électrons occupant leurs frontières orbitales. Ces molécules simples ont été utilisées dans le but de regrouper aisément les électrons dans un espace restreint, de sorte à les forcer à interagir. Étant donné que les éléments fondamentaux contiennent deux électrons, les éléments physiques nécessaires à une intrication quantique sont ainsi réunis.
Au cours de l’expérience, visant à observer les triplons, les excitations magnétiques ont d’abord été surveillées au niveau des molécules individuelles de cobalt-phtalocyanine, puis au niveau de structures toujours plus vastes allant des chaînes aux îlots moléculaires. « En utilisant des éléments moléculaires très simples, nous sommes en mesure de concevoir et de sonder cet aimant quantique complexe d’une manière qui n’a jamais été possible auparavant, révélant des phénomènes introuvables dans ses parties indépendantes », explique Drost.
À noter que bien que, dans le passé, des excitations magnétiques dans des atomes ont pu être observées plusieurs fois grâce à la spectroscopie à effet tunnel, l’effet de propagation d’ondes d’intrication quantique n’a jusqu’à présent jamais été observé.
Grâce à l’aimant quantique, dont la disposition moléculaire a été manuellement conçue, l’équipe de recherche a pu démontrer avec succès que les excitations singulet-triplet peuvent traverser le réseau moléculaire sous la forme de triplons. « Nos résultats fournissent la première démonstration d’excitations de triplon dispersives à partir d’une mesure en espace réel », écrivent les chercheurs dans leur étude. Entre autres, il est désormais possible de concevoir de manière rationnelle des plateformes destinées à de tels phénomènes, ce qui ouvre la voie à de larges perspectives d’utilisation pour les technologies basées sur la physique quantique.
En prochaine étape, les chercheurs comptent étendre leur expérience avec des aimants quantiques composés de molécules plus complexes. Cette extension pourrait potentiellement découler sur d’autres observations d’excitations magnétiques exotiques, ou de nouveaux protocoles de conception de matériaux quantiques plus performants.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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