Un système quantique impliquant des molécules, utilisé pour détecter la matière noire ou pour interagir avec des photons.Un système quantique moléculaire est un ensemble de molécules dont les propriétés quantiques — telles que les niveaux d'énergie, les spins ou les états vibrationnels — sont exploitées dans un but spécifique, souvent dans la détection ou le traitement de l'information quantique. Dans le contexte de la détection de la matière noire, certaines molécules peuvent agir comme des sondes sensibles : leurs états de rotation ou de spin peuvent être perturbés par le passage de particules de matière noire, et cette perturbation peut être lue comme un signal. Plus largement, les systèmes quantiques moléculaires sont explorés pour l'informatique quantique, les mesures de précision et la simulation de phénomènes quantiques complexes.
L'utilisation de molécules comme capteurs quantiques a émergé dans les années 2000, s'appuyant sur des décennies de travaux en spectroscopie moléculaire et en refroidissement laser. La proposition spécifique d'utiliser des systèmes quantiques moléculaires pour la détection de la matière noire a été avancée dans les années 2010, dans le cadre d'un effort plus large pour trouver de nouvelles façons de sonder cette particule insaisissable.
Les molécules offrent un riche ensemble de degrés de liberté internes — électroniques, vibrationnels et rotationnels — qui peuvent être contrôlés par des lasers et des champs électromagnétiques. Pour la détection de la matière noire, l'idée est d'utiliser des molécules possédant un moment dipolaire électrique ou magnétique permanent, qui se couple aux interactions faibles des particules de matière noire. Lorsqu'une particule de matière noire diffuse sur une molécule, elle peut modifier l'état de rotation ou l'orientation du spin de celle-ci, et ce changement peut être détecté par spectroscopie. En détection quantique, les molécules peuvent être préparées dans des états de superposition extrêmement sensibles aux champs externes, permettant des mesures de champs magnétiques, de champs électriques, voire de forces à la limite quantique.
Les systèmes quantiques moléculaires sont utilisés dans les horloges atomiques, les magnétomètres pour l'imagerie médicale (comme la magnétoencéphalographie), et dans la recherche de la matière noire, où ils offrent une approche complémentaire aux détecteurs traditionnels.
Certains systèmes quantiques moléculaires peuvent être utilisés pour créer des « batteries quantiques » — des dispositifs qui stockent l'énergie dans les états quantiques des molécules, pouvant se charger plus rapidement que les batteries classiques.
