Un nouveau microscope fonctionne sur l'état quantique d'électrons uniques
Nous, et tout ce qui nous entoure, sommes constitués de molécules. Les molécules sont si minuscules que même un grain de poussière en contient un nombre incalculable. Il est d'autant plus fascinant de constater qu'il est aujourd'hui possible d'obtenir des images précises de ces molécules à l'aide d'un microscope appelé microscope à force atomique. Son fonctionnement est très différent de celui d'un microscope optique : il est basé sur la détection de forces infimes entre une pointe et la molécule étudiée. Il est ainsi possible d'obtenir une image de la structure interne d'une molécule. Bien que l'on puisse observer la molécule de cette manière, cela ne signifie pas que l'on connaisse toutes ses propriétés. Par exemple, il est déjà très difficile de déterminer de quel type d'atomes la molécule est constituée.
Illustration artistique de l'intégration de la résonance de spin électronique dans la microscopie à force atomique. La structure blanche en bas représente une molécule unique, les flèches son état quantique de spin et les lignes ondulées le champ magnétique radiofréquence nécessaire à la résonance de spin électronique, qui est détectée par la pointe du microscope à force atomique.
© Eugenio Vázquez
Heureusement, il existe d'autres outils permettant de déterminer la composition des molécules. L'un d'entre eux est la résonance de spin électronique, qui repose sur des principes similaires à ceux du scanner IRM en médecine. Toutefois, la résonance de spin électronique nécessite généralement d'innombrables molécules pour obtenir un signal suffisamment important pour être détectable. De cette manière, on ne peut pas accéder aux propriétés de chaque molécule, mais seulement à leur moyenne.
Des chercheurs de l'université de Ratisbonne, dirigés par le professeur Jascha Repp de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'UR, ont désormais intégré la résonance de spin électronique à la microscopie à force atomique. Il est important de noter que la résonance de spin électronique est détectée directement par la pointe du microscope, de sorte que le signal ne provient que d'une seule molécule. Ils peuvent ainsi caractériser les molécules une à une. Ils ont ainsi pu déterminer directement de quels atomes était composée la molécule qu'ils venaient d'imager. "Nous avons même pu distinguer des molécules qui ne diffèrent pas par le type d'atomes dont elles sont composées, mais seulement par leurs isotopes, c'est-à-dire par la composition des noyaux des atomes", ajoute Lisanne Sellies, premier auteur de cette étude.
"Mais nous sommes encore plus intrigués par une autre possibilité qu'offre la résonance de spin électronique : cette technique peut être utilisée pour exploiter l'état quantique de spin des électrons présents dans la molécule", explique le professeur Repp. Sur l'illustration, cet état est représenté par les petites flèches colorées. Mais en quoi cela est-il intéressant ? Les ordinateurs quantiques stockent et traitent des informations codées dans un état quantique. Pour effectuer un calcul, les ordinateurs quantiques doivent manipuler un état quantique sans perdre l'information par décohérence.
Les chercheurs de Ratisbonne ont montré qu'avec leur nouvelle technique, ils pouvaient manipuler l'état quantique du spin dans une seule molécule de nombreuses fois avant que l'état ne se décohère. Étant donné que la technique de microscopie permet d'imager le voisinage individuel de la molécule, la nouvelle technique développée pourrait aider à comprendre comment la décohérence dans un ordinateur quantique dépend de l'environnement à l'échelle atomique et, éventuellement, comment l'éviter.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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