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Des chercheurs quantiques observent la commutation en temps réel de l'aimant au cœur d'un seul atome

Impression d'artiste, basée sur des données de mesure réelles, du spin nucléaire d'un atome basculant entre des états quantiques distincts. Le basculement a été observé comme une fluctuation du courant électrique traversant l'atome sur une échelle de temps de quelques secondes. Crédits : Scixel

Des chercheurs quantiques observent la commutation en temps réel de l’aimant au cœur d’un seul atome

par TUM Université (ALL)
15 octobre 2025
en Quantique, Technologie

Des chercheurs de l’université technologique de Delft, aux Pays-Bas, ont pu voir le noyau magnétique d’un atome passer d’un côté à l’autre en temps réel. Ils ont lu le « spin » nucléaire par l’intermédiaire des électrons du même atome à travers l’aiguille d’un microscope à effet tunnel. À leur grande surprise, le spin est resté stable pendant plusieurs secondes, ce qui laisse entrevoir la possibilité d’un meilleur contrôle du noyau magnétique.

Un microscope à effet tunnel (STM) est constitué d’une aiguille atomiquement aiguisée qui peut « sentir » des atomes uniques sur une surface et produire des images avec une résolution atomique. Pour être plus précis, le STM ne peut sentir que les électrons qui entourent le noyau atomique. Les électrons et le noyau d’un atome sont potentiellement de petits aimants. Selon le type d’atome, ils portent chacun une quantité appelée « spin« , l’équivalent du magnétisme en mécanique quantique. La mesure du mouvement d’un spin électronique individuel à l’aide d’un STM a été réalisée pour la première fois il y a dix ans.

Le groupe de recherche de la TU Delft, dirigé par le professeur Sander Otte, a voulu savoir s’il était possible d’utiliser un STM pour lire le spin nucléaire dans le temps, l’autre partie de l’atome.

Lecture du spin nucléaire

Le STM n’est pas directement sensible aux spins nucléaires, l’équipe a donc dû utiliser l’électron pour lire indirectement le spin nucléaire. « Le principe général avait été démontré il y a quelques années, en utilisant ce qu’on appelle l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires », explique Otte. « Cependant, ces premières mesures étaient trop lentes pour capturer le mouvement du spin nucléaire dans le temps. »

Mesures rapides

Les premiers auteurs, Evert Stolte et Jinwon Lee, ont entrepris d’effectuer des mesures rapides sur un atome connu pour porter un spin nucléaire. À leur grande joie, ils ont observé le signal passer d’un niveau à l’autre en temps réel, en direct sur leur écran d’ordinateur.

« Nous avons pu montrer que ce changement correspond au passage du spin nucléaire d’un état quantique à un autre, puis à nouveau au premier », ajoute M. Stolte.

Ils ont déterminé qu’il fallait environ cinq secondes pour que le spin change, ce qui est beaucoup plus long que pour de nombreux autres systèmes quantiques disponibles pour le STM. Par exemple, la durée de vie du spin électronique dans le même atome n’est que d’environ 100 nanosecondes.

Résumé graphique de l'expérience. Un signal de tension est envoyé via l'aiguille du STM à un atome porteur d'un spin nucléaire. La fréquence de ce signal correspond à l'énergie d'un seul des 8 états quantiques que le spin nucléaire peut occuper. Au fil du temps, le courant qui traverse l'atome passe d'une valeur plus élevée (rouge) à une valeur plus faible (grise), indiquant respectivement que le spin nucléaire réside dans l'état quantique sélectionné ou dans l'un des 7 autres états. On peut voir que le spin reste dans le même état pendant une fraction de seconde significative. Dans une version plus contrôlée de l'expérience, le spin nucléaire s'est avéré stable jusqu'à 5 secondes.
Résumé graphique de l’expérience. Un signal de tension est envoyé via l’aiguille du STM à un atome porteur d’un spin nucléaire. La fréquence de ce signal correspond à l’énergie d’un seul des 8 états quantiques que le spin nucléaire peut occuper. Au fil du temps, le courant qui traverse l’atome passe d’une valeur plus élevée (rouge) à une valeur plus faible (grise), indiquant respectivement que le spin nucléaire réside dans l’état quantique sélectionné ou dans l’un des 7 autres états. On peut voir que le spin reste dans le même état pendant une fraction de seconde significative. Dans une version plus contrôlée de l’expérience, le spin nucléaire s’est avéré stable jusqu’à 5 secondes. Crédit : TUM

Lecture en un seul passage

Comme les chercheurs ont pu mesurer l’état du spin nucléaire plus rapidement qu’il ne bascule et (dans la plupart des cas) sans provoquer de basculement par la mesure elle-même, ils ont réalisé ce qu’on appelle une « lecture en un seul passage ».

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Cela ouvre des possibilités expérimentales passionnantes pour le contrôle du spin nucléaire. De plus, les progrès fondamentaux réalisés dans la lecture et le contrôle des spins nucléaires à la surface pourraient, à long terme, contribuer à des applications telles que la simulation quantique ou la détection quantique à l’échelle atomique.

Evert Stolte, de conclure : « La première étape dans toute nouvelle frontière expérimentale consiste à être capable de la mesurer, et c’est ce que nous avons réussi à faire pour les spins nucléaires à l’échelle atomique. »

Single-shot readout of the nuclear spin of an on-surface atom
E. W. Stolte, J. Lee, H. G. Vennema, R. Broekhoven, E. Teng, A. J. Katan, L. M. Veldman, P. Willke and S. Otte
Nature Communications 16, 7785 (2025), 10.1038/s41467-025-63232-5

Source : TUM

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Tags: aimantatomecommutationtemps reel
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L'Université Technique de Munich (TUM) est l'une des institutions académiques les plus prestigieuses d'Europe, fondée en 1868 par le roi Louis II de Bavière. Initialement créée comme une école polytechnique, elle a évolué pour devenir une université technique de premier plan, obtenant officiellement le statut d'université en 1877. La TUM s'est considérablement développée au fil des décennies, établissant des campus supplémentaires à Garching, Freising, Heilbronn, Straubing et Singapour. L'université compte aujourd'hui plus de 52 580 étudiants et dispose d'un budget annuel de 1,839 milliard d'euros, incluant l'hôpital universitaire. Domaines d'Excellence Technologique et Scientifique Axes de Recherche Principaux - Santé et nutrition - Énergie et ressources naturelles - Environnement et climat - Information et communications - Mobilité et infrastructure La TUM se distingue particulièrement dans les domaines suivants - Intelligence artificielle et logiciels - Robotique - Technologies quantiques - Aérospatiale - Biotechnologies et santé - Technologies alimentaires et agronomiques L'université est reconnue comme une "Université d'Excellence" dans le cadre de l'Initiative d'Excellence allemande. Son impact scientifique est considérable, avec 18 lauréats du prix Nobel et 24 lauréats du prix Leibniz parmi ses chercheurs et anciens élèves. Elle génère également plus de 70 start-ups technologiques chaque année, démontrant son rôle majeur dans l'innovation et le transfert technologique.

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