Manipulation d'un spin nucléaire unique – SINUSManip

.Le grand défi de ce projet est la réalisation d’opérations quantiques sur des architectures moléculaires. Dans ce but, un immense effort expérimental est actuellement dédié à la conception de toutes nouvelles expériences. Au cours des deux dernières années, trois nouveaux réfrigérateurs à dilution ont été fabriqués. Le dernier est actuellement pratiquement opérationnel. Il combine les très basses températures (20 mK), les mesures de transport ultra-bas bruit et le champ magnétique tri-axes (afin d’initialiser et réaliser la lecture d’un spin unique), avec l’intégration de lignes hyper-fréquences (afin de le manipuler et d’exécuter une lecture de l’état de spin). Différents points cruxiaux sont au coeur de ce projet expérimental. En effet, il est tout d’abord primordial de parvenir, aux très basses températures, à appliquer rapidement un champ magnétique dans les 3 directions de l’espace de part l’anisotropie des molécules aimants étudiées. De plus, afin de mettre en évidence la faisabilité de ces opérations quantiques, le couplage entre le champ magnétique créé par la ligne RF et le spin unique à manipuler doit être optimal. Pour cela, une toute nouvelle génération d’échantillons sera fabriquée grâce à la plate-forme de nanofabrication Nanofab de l’Institut Néel de Grenoble. Ils combineront différentes étapes de lithographie optique, laser et électronique afin de parvenir à la réalisation d’un transistor à molécule unique (transistor de spin).

.Ce projet propose donc de développer une toute nouvelle activité de manipulation cohérente de spins portés par des molécules aimants. Fort d’une avancée majeure dans le domaine de la lecture non destructive de l’état quantique d’un spin nucléaire unique (R. Vincent et al., Nature 488, 357 (2012)), ce projet pluridisciplinaire a pour objectif d’étudier les intéractions entre un spin unique et son environnement, afin de comprendre les phénomènes de décohérence inhérents à tout système quantique couplé à un environnement macroscopique. Il poserait de plus les jalons d’une toute nouvelle discipline de la nano-électronique pour laquelle l’utilisation d’un spin nucléaire unique permettrait une intégration dans un futur proche de mémoires ou de portes quantiques dans le cadre de l’information quantique. Le challenge expérimental est à la hauteur des résultats escomptés dans le cadre du contrôle et de la manipulation d’un spin à l’échelle atomique.

.L’électronique moléculaire et la spintronique sont deux domaines majeurs des nanosciences. Le premier domaine utilise depuis plusieurs années des molécules afin de réaliser des dispositifs à molécule unique pour des applications en électronique. Le second, en introduisant les effets liés au spin dans les propriétés de transport électronique, a généré les effets géants de magnéto-résistance qui sont à l’origine d’une révolution en électronique.
Du rapprochement des deux domaines émerge une Nanospintronique Moléculaire développant de nouveaux dispositifs qui manipuleront le spin et la charge d’une molécule-aimant unique. Ce projet présente un domaine émergent, peu exploré à ce jour dont les objectifs principaux relèvent essentiellement de la recherche fondamentale, mais les résultats escomptés ouvriront la voie à des applications en électronique et en information quantique.

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Le contrôle de la dynamique quantique d’un spin unique dans les dispositifs issus de la matière condensé est un domaine grandissant dont l’étendue des applications va de la nanospintronique à l'informatique quantique. L'électron, avec son spin et ses degrés de liberté orbitaux, est conventionnellement utilisé comme porteur de information quantique dans les dispositifs proposés jusqu’à présent. Cependant, les électrons montrent un couplage fort à l'environnement engendrant des temps relaxation et de cohérence assez faibles. En effet, il est extrêmement difficile de réaliser à la fois un enchevêtrement stable tout en protégeant le temps de cohérence d’un spin unique. Des idées alternatifs proposent donc l'utilisation des spins nucléaires en tant que blocs constitutifs pour l'informatique quantique. Ils sont en effet naturellement isolés de l'environnement et leurs temps de cohérence sont donc beaucoup plus longs. Cependant, ce faible couplage à l’environnement a un prix : la mesure et la manipulation d’un spin nucléaire unique est une tâche ardue. Poutrant, cette possibilité de manipulation et de lecture à l’échelle atomique pourrait ouvrir la voie à un monde complètement nouveau de dispositifs pour lesquels une logique quantique pourrait être applicable dans le futur.

Au cours des dernières années, notre groupe a acquis un savoir-faire expérimental indéniable dans le domaine des transistors à molécule unique. Nos précédents travaux nous ont permis permis d'étudier une véritable transition de phase quantique (nature 453, 633 (2008)), d’étudier les effets Kondo de spin 1/2 et hors équilibre (J. of Low. Temp. Phys. 153, 350 (2008), Phys. Stat. Solida. (b). 245, 1994 (2008).), l’effet Kondo de spin 1 sous-écranté (Phys. Rev. Lett. 103, 197202 (2009)), les effets de supraconductivité d’un transistor à molécule unique (Nature Physics 5, 876 (2009)), et plus récemment la détection du moment magnétique unique de spin 3/2 porté par un azote dans le régime de cotunneling (Phys. Rev. B 83, 081407 (R) (2011)) et de la réalisation d'une vanne de spin supramoléculaire (Nature Materials 10, 502 (2011)). Fort de la détection du moment magnétique unique d’une molécule aimant, nous avons également atteint la détection en un coup d'un spin nucléaire unique en utilisant des mesures de transport à travers un transistor à molécule unique. Le temps de vie des états de spin nucléaire ont été mesurés et sont de l’ordre de 20 secondes. Ce résultat ouvre la voie à l'objectif principal de ce projet : l'observation d’oscillations de Rabi ou multi-niveaux d’un spin nucléaire unique. De plus, en raison de la différence énergétique d'espacement entre les différents états de spin, le potentiel de ce dispositif particulier est beaucoup plus riche. En effet, il est présenti pour être un excellent candidat afin d’exécuter l'algorithme de Grover.

Ce projet de recherche fondamentale, poursuite logique et naturelle de nos résultats précédents, est fortement pluridisciplinaire puisqu'il combine l'expérimentation physique avec la synthèse moléculaire (dans le cadre d'une collaboration internationale). Il est à la frontière du transport mesoscopique et quantique avec la chimie moléculaire, proposant de réaliser et d’étudier les blocs élémentaires à partir d’un spin nucléaire unique afin de réaliser aussi bien des expériences quantique afin d’approfondir nos connaissance sur les mystères de la décohérence à l’échelle atomique, que les dispositifs pour la nanospintronique.