Un groupe de recherche détecte pour la première fois une onde d’intrication quantique à l’aide de mesures dans l’espace réel

C’est là que les matériaux quantiques de conception offrent un avantage unique, explique Robert Drost, chercheur à l’Académie et premier auteur d’un article publié dans Lettres d’examen physique le 22 août. Ces matériaux quantiques de conception permettent aux chercheurs de créer des phénomènes introuvables dans les composés naturels, permettant finalement la réalisation d’excitations quantiques exotiques.

«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 le professeur Peter Liljeroth, directeur du groupe de recherche en physique à l’échelle atomique de l’université Aalto.

Les matériaux quantiques sont régis par les interactions entre électrons au niveau microscopique. Ces corrélations électroniques conduisent à des phénomènes inhabituels comme la supraconductivité à haute température ou des états magnétiques complexes, et les corrélations quantiques donnent naissance à de nouveaux états électroniques.

Dans le cas de deux électrons, il existe deux états intriqués appelés états singulet et triplet. Fournir de l’énergie au système électronique peut l’exciter de l’état singulet à l’état triplet. Dans certains cas, cette excitation peut se propager à travers un matériau dans une onde d’intrication appelée triplon. Ces excitations ne sont pas présentes dans les matériaux magnétiques conventionnels et leur mesure reste un défi ouvert dans les matériaux quantiques.

Les expériences triplon de l’équipe

Dans la nouvelle étude, l’équipe a utilisé de petites molécules organiques pour créer un matériau quantique artificiel doté de propriétés magnétiques inhabituelles. Chacune des molécules de cobalt-phtalocyanine utilisées dans l’expérience contient deux électrons frontières.

«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 réalisée auparavant, révélant des phénomènes introuvables dans ses parties indépendantes», explique Drost. “Bien que les excitations magnétiques dans des atomes isolés aient été observées depuis longtemps à l’aide de la spectroscopie à effet tunnel, cela n’a jamais été réalisé avec des triplons à propagation.”

«Nous utilisons ces molécules pour regrouper des électrons, nous les regroupons dans un espace restreint et les forçons à interagir», poursuit Drost. «En examinant une telle molécule de l’extérieur, nous verrons la physique conjointe des deux électrons. Étant donné que notre élément fondamental contient désormais deux électrons au lieu d’un seul, nous assistons à un type de physique très différent.»

L’équipe a surveillé les excitations magnétiques d’abord dans des molécules individuelles de cobalt-phtalocyanine, puis dans des structures plus vastes telles que des chaînes moléculaires et des îlots. En commençant par le très simple et en progressant vers une complexité croissante, les chercheurs espèrent comprendre le comportement émergent des matériaux quantiques. Dans la présente étude, l’équipe a pu démontrer que les excitations singulet-triplet de leurs éléments constitutifs peuvent traverser des réseaux moléculaires sous forme de quasiparticules magnétiques exotiques appelées triplons.

«Nous montrons que nous pouvons créer une excitation magnétique quantique exotique dans un matériau artificiel.» Cette stratégie montre que nous pouvons concevoir de manière rationnelle des plates-formes matérielles qui ouvrent de nouvelles possibilités dans les technologies quantiques», déclare le professeur adjoint Jose Lado, l’un des co-auteurs de l’étude, qui dirige le groupe de recherche sur les matériaux quantiques corrélés à l’université Aalto.

L’équipe prévoit d’étendre son approche à des éléments de base plus complexes pour concevoir d’autres excitations magnétiques exotiques et un nouvel ordre dans les matériaux quantiques. La conception rationnelle à partir d’ingrédients simples aidera non seulement à comprendre la physique complexe des systèmes électroniques corrélés, mais également à établir de nouvelles plates-formes pour la conception de matériaux quantiques.