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Un nanodamier magnétique qui s’autoassemble
Des chercheurs commutent les propriétés quantiques de molécules magnétiques
Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer et de l’Indian Institute of Science Education and Research (Pune/Inde) ont fabriqué un agencement de molécules magnétiques, au sein duquel ils ont réussi à « désactiver » de manière ciblée le magnétisme d’une molécule sur deux. Résultat : un damier magnétique. Les molécules magnétiques ont été construites de manière à trouver toutes seules leur place dans le nanodamier. Les chercheurs ont ensuite réussi à manipuler de façon sélective l’état quantique d’une partie d’entre elles. Cette possibilité de modifier de façon ciblée les états d’objets quantiques individuels est une condition préalable essentielle pour le développement d’ordinateurs quantiques. Ces derniers exploitent les lois de la physique quantique, et leur puissance de calcul dépasserait de loin celle des ordinateurs actuels. Aujourd’hui, on est cependant très loin de construire des ordinateurs de la sorte, capables d’effectuer concrètement ce genre de tâches. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue scientifique Advanced Materials.
Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI) et de l’Indian Institute of Science Education and Research (Pune, Inde) ont fabriqué un agencement de minuscules aimants à deux dimensions, au sein duquel ils ont réussi à « désactiver » le magnétisme d’un aimant sur deux, ce qui revient à manipuler leur état quantique. Résultat : un « damier » à l’échelle nano, où s’alternent des cases dotées de propriétés magnétiques différentes telles que « magnétique » et « non magnétique ». Concrètement, les chercheurs ont travaillé avec des molécules organiques plates, d’environ 1 nanomètre de diamètre. Un atome de métal magnétique (du fer ou du manganèse) a été placé au centre de chacune des molécules. Cet atome a transformé la molécule en un minuscule aimant, nettement plus petit qu’un bit magnétique de disque dur d’ordinateur, dont chaque bit est composé de plus d’un million d’atomes magnétiques. Afin de stabiliser l’état magnétique au sein des molécules, ces dernières ont été déposées sur une surface magnétique de cobalt, qui leur a imposé une certaine direction de magnétisation.
Les molécules ne contiennent qu’un seul atome magnétique : elles sont donc si petites qu’elles sont soumises aux lois de la physique quantique. Or, la compréhension et la manipulation de ce genre d’objets quantiques constituent des conditions préalables pour le développement d’ordinateurs quantiques, dont la puissance de calcul pourrait nettement dépasser celle des machines actuelles.
Le nanodamier magnétique s’autoassemble
« Jusqu’ici, il fallait agencer les atomes magnétiques un à un, ce qui prenait énormément de temps, explique Christian Wäckerlin, doctorant au PSI. Nous avons introduit les atomes magnétiques dans des molécules, et construit ces dernières de manière à ce qu’elles s’autoordonnent en alternance sur la surface, pour former un damier. Ce nanodamier magnétique est donc capable de s’autoassembler. »
Activation ciblée du magnétisme
« Nous avons ensuite exposé les molécules à du gaz d’ammoniaque, poursuit Christian Wäckerlin. Une molécule d’ammoniaque s’est alors liée avec chaque atome de métal. L’atome de fer lié à l’ammoniaque s’est démagnétisé, tandis que le magnétisme du manganèse n’a subi pour ainsi dire aucune transformation. Une molécule sur deux du nanodamier a alors vu son état quantique passer de « magnétique » à « non magnétique ». Le microscope à effet tunnel permet de visualiser ce nanodamier, et la lumière synchrotron de la Source de Lumière Suisse (SLS) d’étudier ses propriétés magnétiques. Si l’on chauffe légèrement l’ensemble du système, les molécules d’ammoniaque retournent à l’état gazeux et l’état « magnétique » d’origine est restauré. » Jusqu’au véritable ordinateur quantique, le chemin à parcourir est évidemment encore long : il manque notamment le couplage et l’intrication des états quantiques, essentiels eux aussi. « Mais nous avons montré qu’il est possible de commuter de manière reproductible les propriétés d’un grand nombre d’atomes au sein d’un système simple et très ordonné », souligne le chercheur.
Autres applications envisageables
D’autres applications sont davantage à portée de main : le damier magnétique pourrait être utilisé, par exemple, en tant que détecteur d’ammoniaque. Comme l’évaporisation d’ammoniaque ne démagnétise qu’une molécule sur deux, elle modifie aussi la façon dont l’agencement réagit à la lumière. Or, cette modification pourrait être mise en évidence par une source lumineuse assez simple. Cela permettrait ainsi de détecter la présence d’ammoniaque dans l’air.
À propos du PSI
L’Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l’Institut sont centrées dans le domaine matière et matériaux, energie et environnement, santé. Avec 1500 collaborateurs et un budget annuel d’environ 300 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.