Activer et désactiver (et monter et descendre) le “spin” dans les matériaux quantiques à température ambiante

Le spin est le terme désignant le moment cinétique intrinsèque des électrons, appelé haut ou bas. L’utilisation des états de spin haut/bas des électrons au lieu des 0 et 1 dans la logique informatique conventionnelle pourrait transformer la façon dont les ordinateurs traitent l’information. Et des capteurs basés sur des principes quantiques pourraient considérablement améliorer nos capacités à mesurer et à étudier le monde qui nous entoure.

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par l’Université de Cambridge, a trouvé un moyen d’utiliser des particules de lumière comme un “interrupteur” capable de connecter et de contrôler le spin des électrons, les faisant se comporter comme de minuscules aimants qui pourraient être utilisés pour des applications quantiques. .

Les chercheurs ont conçu des unités moléculaires modulaires reliées par de minuscules “ponts”. Faire briller une lumière sur ces ponts a permis aux électrons situés aux extrémités opposées de la structure de se connecter les uns aux autres en alignant leurs états de spin. Même après la suppression du pont, les électrons sont restés connectés grâce à leurs spins alignés.

Ce niveau de contrôle des propriétés quantiques ne peut normalement être atteint qu’à des températures ultra-basses. Cependant, l’équipe dirigée par Cambridge a pu contrôler le comportement quantique de ces matériaux à température ambiante, ce qui ouvre un nouveau monde d’applications quantiques potentielles en couplant de manière fiable les spins aux photons. Les résultats sont publiés dans la revue Nature.

Presque tous les types de technologie quantique – basés sur le comportement étrange des particules au niveau subatomique – impliquent le spin. Lorsqu’ils se déplacent, les électrons forment généralement des paires stables, avec un électron spin up et un spin down. Cependant, il est possible de fabriquer des molécules avec des électrons non appariés, appelés radicaux. La plupart des radicaux sont très réactifs, mais avec une conception soignée de la molécule, ils peuvent être rendus chimiquement stables.

“Ces spins non appariés modifient les règles de ce qui se passe lorsqu’un photon est absorbé et que les électrons sont déplacés vers un niveau d’énergie supérieur”, a déclaré le premier auteur Sebastian Gorgon, du laboratoire Cavendish de Cambridge. “Nous avons travaillé avec des systèmes où il y a une rotation nette, ce qui les rend bons pour l’émission de lumière et la fabrication de LED.”

Gorgon est membre du groupe de recherche du professeur Sir Richard Friend, où ils ont étudié les radicaux dans les semi-conducteurs organiques pour la génération de lumière, et identifié il y a quelques années une famille de matériaux stables et brillants. Ces matériaux peuvent battre les meilleurs OLED conventionnels pour la génération de lumière rouge.

“Il était important d’utiliser des astuces développées par différents domaines”, a déclaré le Dr Emrys Evans de l’Université de Swansea, qui a codirigé la recherche. “L’équipe possède une expertise importante dans un certain nombre de domaines de la physique et de la chimie, tels que les propriétés de spin des électrons et la façon de faire fonctionner les semi-conducteurs organiques dans les LED. C’était essentiel pour savoir comment préparer et étudier ces molécules à l’état solide, permettant notre démonstration des effets quantiques à température ambiante.”

Les semi-conducteurs organiques sont à la pointe de la technologie pour l’éclairage et les affichages commerciaux, et ils pourraient constituer une alternative plus durable au silicium pour les cellules solaires. Cependant, ils n’ont pas encore été largement étudiés pour des applications quantiques, telles que l’informatique quantique ou la détection quantique.

“Nous avons maintenant franchi la prochaine grande étape et lié les propriétés optiques et magnétiques des radicaux dans un semi-conducteur organique”, a déclaré Gorgon. “Ces nouveaux matériaux sont très prometteurs pour des applications complètement nouvelles, puisque nous avons pu supprimer le besoin de températures ultra-froides.”

“Savoir ce que font les spins des électrons, et encore moins les contrôler, n’est pas simple, surtout à température ambiante”, a déclaré Friend, qui a codirigé la recherche. “Mais si nous pouvons contrôler les spins, nous pouvons construire des objets quantiques intéressants et utiles.”

Les chercheurs ont conçu une nouvelle famille de matériaux en déterminant d’abord comment ils voulaient que les spins des électrons se comportent. Grâce à cette approche ascendante, ils ont pu contrôler les propriétés du matériau final en utilisant une méthode de blocs de construction et en modifiant les « ponts » entre les différents modules de la molécule. Ces ponts étaient constitués d’anthracène, un type d’hydrocarbure.

Pour leurs molécules “mix-and-match”, les chercheurs ont attaché un radical émettant de la lumière brillante à une molécule d’anthracène. Après qu’un photon de lumière a été absorbé par le radical, l’excitation se propage sur l’anthracène voisin, provoquant la rotation de trois électrons de la même manière. Lorsqu’un autre groupe radical est attaché de l’autre côté des molécules d’anthracène, son électron est également couplé, amenant quatre électrons à tourner dans la même direction.

“Dans cet exemple, nous pouvons activer l’interaction entre deux électrons aux extrémités opposées de la molécule en alignant les spins des électrons sur le pont absorbant un photon de lumière”, a déclaré Gorgon. “Après s’être reposés, les électrons distants se souviennent qu’ils étaient ensemble même après la disparition du pont.

“Dans ces matériaux que nous avons conçus, absorber un photon revient à allumer un interrupteur. Le fait que nous puissions commencer à contrôler ces objets quantiques en couplant de manière fiable des spins à température ambiante pourrait ouvrir beaucoup plus de flexibilité dans le monde des technologies quantiques. Il y a un énorme potentiel ici pour aller dans de nombreuses nouvelles directions.”

“Les gens ont passé des années à essayer de faire en sorte que les spins se parlent de manière fiable, mais en commençant plutôt par ce que nous voulons que les spins fassent, puis les chimistes peuvent concevoir une molécule autour de cela, nous avons pu aligner les spins. “, a déclaré l’Ami. “C’est comme si nous avions atteint la zone Goldilocks où nous pouvons régler le couplage de spin entre les éléments constitutifs des molécules étendues.”

Cette avancée a été rendue possible grâce à une large collaboration internationale – les matériaux ont été fabriqués en Chine, des expériences ont été menées à Cambridge, Oxford et en Allemagne, et des travaux théoriques ont été effectués en Belgique et en Espagne.

La recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche, l’Union européenne, le Conseil de recherche en génie et en sciences physiques (EPSRC), une partie de UK Research and Innovation (UKRI) et la Royal Society. Richard Friend est membre du St John’s College de Cambridge.