Vers l'optimisation de matériaux quantiques à base de chaînes de spin

Les technologies quantiques reposent sur l’existence d’objets — atomes, ions, défauts cristallins — capables de maintenir un état quantique cohérent suffisamment longtemps pour être manipulés. Mais les interactions avec l’environnement dégradent inexorablement ces états quantiques organisés : c'est la décohérence, un phénomène naturel qui constitue un obstacle majeur au développement de ces technologies. Les stratégies actuelles visent principalement à isoler le plus possible le porteur d'information quantique de son environnement, par exemple en le diluant dans un cristal très pur ou en le refroidissant à des températures extrêmes. Une voie récente et prometteuse pour empêcher la décohérence pourrait être d’utiliser des états quantiques dit topologiques, qui pour des raisons de symétrie sont protégés naturellement contre les couplages extérieurs.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP, Aix-Marseille Université/CNRS/Université de Toulon)
• Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement (LASIRe, CNRS/Université de Lille)
• Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR, CNRS/ENSCR/Université de Rennes)
• Bioénergétique et ingénierie des protéines (BIP, Aix-Marseille Université/CNRS)
• Institut des Sciences Moléculaires de Marseille (iSm2, Aix-Marseille Université/CNRS/Centrale Méditerranée)

Des chercheurs et chercheuses révèlent pour la première fois les mécanismes microscopiques qui gouvernent la cohérence d'états quantiques topologiques dans des chaînes de spins organiques, et montrent que les corrélations collectives au sein de ces chaînes réduisent significativement l'effet des perturbations extérieures. Les scientifiques ont étudié des cristaux organiques de la famille (o-DMTTF)₂X (où X est soit Cl (chlore), Br (brome), I (iode)), dans lesquels des molécules empilées forment de véritables chaînes magnétiques unidimensionnelles. En dessous de 50 K, ces chaînes se dimérisent et deviennent magnétiquement silencieuses (voir l’alternance de spins up et down sur la figure), à l'exception de défauts apparaissant aux ruptures de chaîne : ces « états de bord topologiques » forment des sortes de clusters de spins corrélés, protégés des interactions parasites par la symétrie globale du système (voir figure).

À l'aide de la résonance paramagnétique électronique (RPE), les chercheurs et chercheuses ont mesuré avec une précision inédite les temps de relaxation et de cohérence de ces états de bord. La conclusion principale du travail est surprenante : le champ dipolaire effectif entre défauts, qui est habituellement la principale source de décohérence, se trouve réduit de plus de 80% par rapport à celui de spins isolés de même concentration, ce qui augmente d’autant les temps de cohérence. Ces résultats fournissent quelques principes directeurs pour optimiser la cohérence dans de futurs matériaux, et sont par exemple directement pertinents pour les récentes réalisations d'états de bord topologiques dans des structures de nanographène atomiquement précises, où le champ dipolaire interne pourrait constituer la limite ultime de décohérence. Plus généralement, cette étude démontre que les corrélations à plusieurs corps dans les systèmes topologiques peuvent fournir une protection intrinsèque contre la décohérence environnementale. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.