Une boîte à outils pour la recherche quantique : Modèle de spin quantique à partir de molécules de nanographènes
en-GBde-DEes-ESfr-FR

Une boîte à outils pour la recherche quantique : Modèle de spin quantique à partir de molécules de nanographènes

14/03/2025 Empa

En 2024, des chercheurs de l'Empa et leurs partenaires ont réussi pour la première fois à reproduire exactement dans un matériau synthétique ce que l'on appelle un modèle d'Heisenberg alterné unidimensionnel (voir l'article). Ce modèle théorique de physique quantique, connu depuis près de 100 ans, décrit un enchaînement linéaire de spins – une sorte de magnétisme quantique. Les chercheurs réunis autour de Roman Fasel, directeur du laboratoire « nanotech@surfaces » de l'Empa, ont maintenant pu reconstruire le « modèle frère » en laboratoire.

Alors que dans le modèle alterné, les spins étaient alternativement fortement et faiblement liés entre eux, ils le sont uniformément dans le nouveau modèle. Cette différence d’apparence minime entraîne des propriétés fondamentalement différentes : Les spins de la chaîne homogène sont fortement imbriquée et corrélés sur une longue distance, et il n'y a pas d'écart d'énergie entre l'état fondamental et les états excités. En revanche, la chaîne alternante développe un gap d'énergie et ses spins établissent de préférence des liaisons fortes par paires, avec une décroissance rapide (exponentielle) des corrélations. Les chercheurs ont pu confirmer exactement ces prédictions de la physique quantique théorique dans leurs chaînes de spins nanographiques. Les résultats correspondants viennent d'être publiés dans l'édition actuelle de la revue « Nature Materials ».

Les deux modèles ont été réalisés avec des nanographènes. Il s'agit de minuscules morceaux de graphène, un matériau carboné bidimensionnel. En contrôlant précisément la forme de ces morceaux, les chercheurs peuvent contrôler leurs propriétés physiques (quantiques). L'objectif est de créer une plateforme de matériaux – une sorte de « Lego quantique » – permettant d'étudier expérimentalement différents modèles et effets quantiques.

Rendre les technologies quantiques utilisables

Les deux expériences d'Heisenberg l'illustrent : pour le modèle de chaîne de spin alternée, les chercheurs ont utilisé des « gobelets de Clar » comme matériau de départ, des molécules nanographiques en forme de sablier composées de onze anneaux de carbone. Pour la chaîne d'Heisenberg homogène, ils ont utilisé un autre nanographène : L'olympicène, composé de cinq anneaux et qui doit son nom à sa ressemblance avec les anneaux olympiques.

« Nous venons de montrer pour la deuxième fois que les modèles théoriques de la physique quantique peuvent être réalisés avec des nanographènes et que leurs prédictions sont donc vérifiables expérimentalement », explique Roman Fasel. Les chercheurs veulent ensuite fabriquer et étudier des chaînes de spin ferrimagnétiques avec leurs nanographènes ; dans celles-ci, les moments magnétiques s'alignent certes de manière antiparallèle, mais ne s'annulent pas complètement. Les réseaux de spin bidimensionnels sont également très intéressants, car ils présentent une bien plus grande diversité de phases que les chaînes de spin, notamment des états topologiques, des liquides de spin quantiques et des phénomènes critiques exotiques. Cela les rend particulièrement intéressants, tant pour la recherche fondamentale que pour les applications pratiques.

En effet, la reproduction de modèles issus de manuels de physique quantique a également un but pratique. Les technologies quantiques promettent des percées dans la communication, la puissance de calcul, les techniques de mesure et bien d'autres choses encore. Mais les états quantiques sont fragiles et leurs effets difficiles à saisir. La recherche sur les applications réelles est donc un défi. Avec le « lego quantique » composé de nanographènes, les chercheurs de l'Empa espèrent mieux comprendre les effets quantiques et ouvrir ainsi la voie à des technologies quantiques utilisables.
C Zhao, L Yang, JCG Henriques, M Ferri-Cortés, G Catarina, CA Pignedoli, J Ma, X Feng, P Ruffieux, J Fernández-Rossier, R Fasel: Spin excitations in nanographene-based antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg chains; Nature Materials (2025); doi: 10.1038/s41563-025-02166-1
C Zhao, G Catarina, JJ Zhang, JCG Henriques, L Yang, J Ma, X Feng, O Gröning, P Ruffieux, J Fernández-Rossier, R Fasel: Tunable topological phases in nanographene-based spin-½ alternating-exchange Heisenberg chains; Nature Nanotechnology (2024); doi: 10.1038/s41565-024-01805-z
Fichiers joints
  • Des briques de Lego moléculaires : Pour la chaîne d'Heisenberg homogène, les chercheurs ont utilisé la molécule de nanographène olympicène, qui se compose de cinq anneaux de carbone. Image : Empa
  • Précision atomique : images au microscope de la chaîne d'Heisenberg homogène d'olympicène ; en haut, microscopie à force atomique, en bas, microscopie à effet tunnel à balayage. Image : Empa
14/03/2025 Empa
Regions: Europe, Switzerland
Keywords: Applied science, Nanotechnology, Science, Physics

Disclaimer: AlphaGalileo is not responsible for the accuracy of content posted to AlphaGalileo by contributing institutions or for the use of any information through the AlphaGalileo system.

Témoignages

We have used AlphaGalileo since its foundation but frankly we need it more than ever now to ensure our research news is heard across Europe, Asia and North America. As one of the UK’s leading research universities we want to continue to work with other outstanding researchers in Europe. AlphaGalileo helps us to continue to bring our research story to them and the rest of the world.
Peter Dunn, Director of Press and Media Relations at the University of Warwick
AlphaGalileo has helped us more than double our reach at SciDev.Net. The service has enabled our journalists around the world to reach the mainstream media with articles about the impact of science on people in low- and middle-income countries, leading to big increases in the number of SciDev.Net articles that have been republished.
Ben Deighton, SciDevNet
AlphaGalileo is a great source of global research news. I use it regularly.
Robert Lee Hotz, LA Times

Nous travaillons en étroite collaboration avec...


  • BBC
  • The Times
  • National Geographic
  • The University of Edinburgh
  • University of Cambridge
  • iesResearch
Copyright 2025 by DNN Corp Terms Of Use Privacy Statement