SIngle NUclear Spin Manipulation – 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.

.NA

Quantum control of individual spins in condensed matter devices is an emerging field with a wide range of applications from nanospintronics to quantum computing. The electron, with its spin and orbital degrees of freedom, is conventionally used as carrier of the quantum information in the devices proposed. However, electrons exhibit a strong coupling to the environment leading to reduced relaxation and coherence times. Indeed, quantum coherence and stable entanglement of electron spins are extremely difficult to achieve. Alternative concepts propose the use of nuclear spins as building blocks for quantum computing, as they are extremely well isolated from the environment and less prone to decoherence. However, weak coupling comes at a price: Adressing and manipulation of individual nuclear spins remain challenging tasks. The possibility to control and read-out a single spin at the single atom scale could open the way to a completely new device world, into which quantum logic may be implemented in future.

During the last years, our group has gained a deep insight into single-molecule transistor. Our previous work allowed to study a true quantum phase transition (Nature 453, 633 (2008)), spin 1/2 and out-of-equilibrium Kondo effect (J. of Low Temp. Phys. 153, 350 (2008), Phys. Stat. Sol. (b). 245, 1994 (2008).), underscreened Kondo effect (Phys. Rev. Lett. 103, 197202 (2009)), superconductivity in a single-molecule transistor (Nature Physics 5, 876 (2009)), and more recently the detection of a single Nitrogen spin in the cotunneling regime (Phys. Rev. B 83, 081407(R) (2011)) and the realization of a supramolecular spin valve (Nature Materials 10, 502 (2011)). Proving our hability to detect one single magnetic moment of a single SMM, we reached the detection of a single nuclear spin state using transport measurements as presented. The lifetime of the nuclear spin states were monitored, and exhibits an estimated lifetime as high as twenty seconds. This result opens the way to the main goal of this project : the observation of Rabi or multi-levels coherent oscillations of a single nuclear-spin. Moreover, because of the different energy level spacing originating from the nuclear quadrupole interaction term, the potentiality of this particular device is much richer. Indeed, it is presumed to be an excellent candidate to perform the Grover algorithm.

This basic research project, following naturally our previous results, is strongly pluridisciplinary, since it combines the physical experimentation with the molecular synthesis (within the framework of an international collaboration). It is at the boundary of mesoscopic physics and quantum transport with molecular chemistry, proposing to realize and study nuclear spin bulding blocks to perform quantum experiments as well as nanospintronic supramolecular devices.