Bateau en bouteille : comment piéger un spin quantique dans un cristal en couches
Un bateau en bouteille ne se monte pas de l'extérieur, mais de l'intérieur : on fait passer les mâts et les voiles par le goulot étroit, et une fois à l'intérieur du verre, ils se redressent d'eux-mêmes dans la bonne position. C'est à peu près ce que des chimistes ont fait avec une molécule isolée de cobaltocène, qu'ils ont glissée dans l'interstice entre les couches d'un cristal bidimensionnel. La molécule libre se comporte comme un bateau en eau libre : son spin, qui porte l'information quantique, est ballotté à chaque collision avec l'environnement et perd sa cohérence en quelques microsecondes. À l'intérieur de l'interstice, tout change : la molécule se fige dans une seule position, ses vibrations s'amortissent, et l'état quantique vit cent fois plus longtemps.
La clé du succès n'est pas l'isolement, mais la restructuration. La molécule de cobaltocène ressemble à un sandwich : un atome de cobalt est pris en sandwich entre deux anneaux plans. À l'état libre, ses électrons possèdent un moment orbital notable, qui sert de canal pour une perte rapide de cohérence. Dans l'interstice du cristal, celui-ci comprime légèrement les anneaux, la molécule se déforme, et ce canal se referme. La structure électronique change de telle sorte qu'il devient difficile de retourner le spin, ce qui prolonge la durée de vie de l'état quantique. Les scientifiques l'ont observé grâce aux spectres de résonance paramagnétique électronique, où le signal de la molécule piégée persistait jusqu'à 100 K, alors que la molécule libre cessait de répondre dès 10 K.
Le cristal en couches agit comme une bouteille soigneuse : il ne se contente pas de retenir la molécule, il lui impose aussi une position unique possible. À 5 K, le cobaltocène se tient verticalement, mais au-dessus de 156 K, il s'allonge à plat. Cet ordre est visible dans une superstructure à période double : les molécules s'alignent en un réseau triangulaire à l'intérieur de l'interstice. Ce ne sont plus des bateaux isolés, mais toute une flottille prête à travailler en concert.
Cette approche résout un problème de longue date : on pensait auparavant qu'un substrat dans un solide détruisait inévitablement les états quantiques, ce qui obligeait à isoler les qubits. Ici, le substrat ne gêne pas, il aide : il fixe l'orientation, amortit les vibrations et réorganise la hiérarchie des échelles d'énergie. Le bateau en bouteille n'est pas seulement protégé des vagues : la bouteille elle-même fait partie de sa structure. Dès aujourd'hui, cette technique peut être utilisée pour créer des réseaux ordonnés de qubits moléculaires dans des matériaux en couches, et à terme, pour des capteurs hybrides de champ magnétique à l'échelle nanométrique.
Le cobaltocène est ce fameux « sandwich » composé de deux cycles cyclopentadiényle et d'un atome de cobalt, dont la découverte de la structure a valu à Ernst Otto Fischer et Geoffrey Wilkinson le prix Nobel de chimie en 1973. Dans ce travail, il joue le rôle du canari dans la mine : son spin est si sensible à l'environnement que le spectre permet de reconstituer la symétrie de la cage dans laquelle on l'a placé.
L'idée de piéger une molécule individuelle dans une cavité nanométrique et de la faire fonctionner comme un cubit évoque le « piège à atomes » du roman de Greg Egan, « Quarantine » : là-bas, les états quantiques sont isolés de l'environnement pour être utilisés dans des calculs. Cependant, chez Egan, l'isolation est presque parfaite, alors qu'ici le confinement n'isole pas, il réorganise les liens avec l'environnement, et c'est précisément cela qui procure le gain.