Une molécule au cobalt agit comme qubit de spin, piste pour matériaux quantiques

Des chercheurs de l’Université de Kumamoto, en collaboration avec des collègues de Corée du Sud et de Taïwan, ont découvert qu’une molécule unique à base de cobalt avec des liaisons métal-métal peut fonctionner comme un bit quantique de spin (qubit de spin) — une unité fondamentale pour les futurs ordinateurs quantiques. Ces résultats fournissent une nouvelle stratégie de conception pour les matériaux moléculaires utilisés dans les technologies de l’information quantique.

Les ordinateurs quantiques traitent l’information en utilisant des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent exister dans plusieurs états simultanément. Parmi les différentes approches, les qubits de spin, qui utilisent le spin d’un électron, sont particulièrement attrayants car ils peuvent être précisément contrôlés à l’aide de techniques de résonance magnétique. Cependant, créer des qubits de spin stables et de longue durée au niveau moléculaire reste un défi majeur.

L’équipe de recherche s’est concentrée sur une molécule rigide composée de trois ions cobalt alignés en ligne droite et directement connectés par des liaisons métal-métal. Ce composé, connu sous le nom de Co₃(dpa)₄Cl₂, est également un matériau à « transition de spin », ce qui signifie que son état de spin peut changer en réponse à des conditions externes comme la température. Jusqu’à présent, la possibilité qu’une telle molécule puisse servir de qubit de spin n’avait pas été confirmée expérimentalement.

En utilisant des mesures magnétiques avancées et la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique pulsée (RPE), les chercheurs ont examiné de près combien de temps les spins électroniques de la molécule peuvent maintenir leur état quantique. Ils ont découvert que la molécule présente une relaxation magnétique lente, avec des durées de vie de spin suffisamment longues pour répondre aux exigences clés du traitement de l’information quantique. Fait important, le spin électronique n’est pas confiné à un seul atome métallique mais est délocalisé sur les trois ions cobalt, ce qui aide à stabiliser l’état quantique.

L’équipe a également observé des oscillations de Rabi claires, une marque d’un comportement quantique contrôlé, démontrant que les états de spin peuvent être manipulés de manière cohérente. Ces résultats montrent, pour la première fois, qu’une molécule avec des liaisons métal-métal peut agir comme un qubit de spin fonctionnel.

« Ce travail ouvre une nouvelle voie pour la conception de qubits moléculaires », affirme le professeur Shinya Hayami de la Faculté des sciences et technologies avancées de l’Université de Kumamoto, qui a dirigé l’étude. « En utilisant des complexes métalliques multinucléaires rigides, nous pouvons supprimer les vibrations indésirables et obtenir des durées de vie de spin plus longues. »

L’étude a été publiée dans la revue internationale Chemical Communications de la Royal Society of Chemistry et a été mise en avant sur la couverture extérieure du journal. Les chercheurs s’attendent à ce que leurs découvertes accélèrent le développement de matériaux quantiques à base de molécules, avec des applications potentielles dans l’informatique quantique, la mémoire quantique et l’électronique basée sur le spin.

Article : Slow magnetic relaxation in a trinuclear spin-crossover Co(II) compound with metal–metal bonding – Journal : Chemical Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Kumamoto U.