Triplons délicats : des scientifiques créent un aimant quantique artificiel avec des quasiparticules constituées d'électrons intriqués

Par Université Aalto23 août 2023

L'illustration artistique représente les excitations magnétiques des molécules de cobalt-phtalocyanine, où les électrons intriqués se propagent dans les triplons. Crédit : José Lado/Université Aalto

Un groupe de recherche détecte pour la première fois une onde d’intrication quantique à l’aide de mesures dans l’espace réel.

Les triplons sont des petites choses délicates. Expérimentalement, ils sont extrêmement difficiles à observer. Et même dans ce cas, les chercheurs effectuent généralement des tests sur des matériaux macroscopiques, dans lesquels les mesures sont exprimées sous forme de moyenne sur l’ensemble de l’échantillon.

That’s where designer quantum materials offer a unique advantage, says Academy Research Fellow Robert Drost, the first author of a paper published on August 22 in the journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Lettres d'examen physique. Ces matériaux quantiques de conception permettent aux chercheurs de créer des phénomènes introuvables dans les composés naturels, permettant ainsi la réalisation d'excitations quantiques exotiques.

« Ces matériaux sont très complexes. Ils vous proposent une physique très passionnante, mais les plus exotiques sont également difficiles à trouver et à étudier. Nous essayons donc ici une approche différente en construisant un matériau artificiel à l’aide de composants individuels », explique le professeur Peter Liljeroth, chef du groupe de recherche en physique à l’échelle atomique de l’université Aalto.

Les matériaux quantiques sont régis par les interactions entre électrons au niveau microscopique. Ces corrélations électroniques conduisent à des phénomènes inhabituels comme la supraconductivité à haute température ou des états magnétiques complexes, et les corrélations quantiques donnent naissance à de nouveaux états électroniques.

Dans le cas de deux électrons, il existe deux états intriqués appelés états singulet et triplet. Fournir de l’énergie au système électronique peut l’exciter de l’état singulet à l’état triplet. Dans certains cas, cette excitation peut se propager à travers un matériau dans une onde d’intrication appelée triplon. Ces excitations ne sont pas présentes dans les matériaux magnétiques conventionnels et leur mesure reste un défi ouvert dans les matériaux quantiques.

Dans la nouvelle étude, l’équipe a utilisé de petites molécules organiques pour créer un matériau quantique artificiel doté de propriétés magnétiques inhabituelles. Chacune des molécules de cobalt-phtalocyanine utilisées dans l’expérience contient deux électrons frontières.

"En utilisant des éléments de base moléculaires très simples, nous sommes capables de concevoir et de sonder cet aimant quantique complexe d'une manière qui n'a jamais été réalisée auparavant, révélant des phénomènes introuvables dans ses parties indépendantes", explique Drost. "Bien que les excitations magnétiques dans des atomes isolés aient été observées depuis longtemps à l'aide de la spectroscopie à effet tunnel, cela n'a jamais été réalisé avec des triplons à propagation."

"Nous utilisons ces molécules pour regrouper des électrons, nous les regroupons dans un espace restreint et les forçons à interagir", poursuit Drost. « En examinant une telle molécule de l’extérieur, nous verrons la physique conjointe des deux électrons. Parce que notre élément fondamental contient désormais deux électrons, au lieu d’un, nous voyons un type de physique très différent.

L’équipe a surveillé les excitations magnétiques d’abord dans des molécules individuelles de cobalt-phtalocyanine, puis dans des structures plus vastes telles que des chaînes moléculaires et des îlots. En commençant par le très simple et en progressant vers une complexité croissante, les chercheurs espèrent comprendre le comportement émergent des matériaux quantiques. Dans la présente étude, l’équipe a pu démontrer que les excitations singulet-triplet de leurs éléments constitutifs peuvent traverser des réseaux moléculaires sous forme de quasiparticules magnétiques exotiques appelées triplons.