A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

Dans la quête de la construction de machines capables de résoudre des problèmes dépassant de loin la portée des ordinateurs d'aujourd'hui, les scientifiques se tournent vers les plus petites unités d'information possibles. Pendant des décennies, l'attention s'est portée sur le qubit, un minuscule interrupteur qui peut exister dans deux états à la fois, un peu comme une pièce de monnaie tournant sur une table qui est à la fois pile et face avant de retomber. Cependant, la nature offre une palette plus riche que seulement deux options. Tout comme une gamme musicale possède plus de deux notes, les systèmes quantiques peuvent être conçus pour détenir simultanément plusieurs états. Ces unités multi-états, connues sous le nom de qudits, pourraient ouvrir de nouvelles voies pour traiter l'information et percevoir le monde avec une précision extrême. Le défi consiste à trouver des matériaux capables de maintenir ces états complexes de manière stable tout en permettant aux scientifiques de lire et d'écrire l'information à l'aide de la lumière, une méthode qui est rapide et précise.

Une équipe de chercheurs a maintenant créé un nouveau bloc de construction moléculaire qui rapproche ce concept de la réalité. Ils ont conçu une molécule organique unique et stable qui agit comme un qudit émetteur de lumière. Cette molécule est construite à partir de trois groupes radicaux identiques — des structures chimiques possédant un électron non apparié — disposés autour d'un anneau central. En connectant ces trois parties d'une manière spécifique, les scientifiques ont forcé les électrons non appariés à aligner leurs spins de manière coopérative, créant un état fondamental doté de quatre niveaux d'énergie distincts au lieu des deux habituels. Cette structure n'est pas seulement une curiosité théorique ; elle brille avec de la lumière lorsqu'elle est excitée, et la couleur ainsi que le timing de cette lueur révèlent l'état interne des électrons. Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient utiliser un laser pour préparer la molécule dans un état spécifique, la contrôler avec des micro-ondes, et lire le résultat à travers son émission de lumière, l'initialisation et la lecture optiques étant possibles à température ambiante.

La molécule, que les chercheurs appellent un triradical, est construite en attachant trois groupes trityle à un anneau phényle central. Les groupes trityle sont connus pour être stables et posséder des propriétés magnétiques uniques, mais combiner trois d'entre eux en une seule unité lumineuse a nécessité une conception minutieuse. L'équipe a utilisé un processus chimique pour lier les trois parties, en veillant à ce qu'elles soient espacées de justesse pour interagir sans détruire la stabilité les unes des autres. Lorsqu'ils ont examiné la molécule, ils ont découvert qu'elle possédait deux ensembles distincts d'états d'énergie : un état doublet avec deux configurations possibles et un état quartet avec quatre. Crucialement, le quartet de l'état fondamental se situe légèrement plus bas en énergie que le doublet d'environ 1 meV, ce qui résulte en une population presque égale de doublets et de quartets à température ambiante. Ce mélange presque égal est vital car il permet au système d'accéder à une gamme plus large d'états d'information qu'un simple système à deux états ne pourrait jamais fournir.

Lorsque les chercheurs ont projeté un laser bleu sur la molécule, celle-ci a absorbé l'énergie et a commencé à briller. Ils ont observé deux couleurs de lumière distinctes émergeant de l'échantillon : une lueur à 633 nanomètres et un rouge plus profond à 690 nanomètres. En mesurant la durée de chaque couleur, ils ont découvert que la lumière à 633 nanomètres provenait de l'état quartet et s'estompait rapidement, tandis que la lumière à 690 nanomètres provenait de l'état doublet et persistait plus longtemps, dominant la photoluminescence retardée. Cette séparation a permis de distinguer les deux types d'états simplement en observant la couleur et le timing de la lumière. L'équipe a également constaté que la molécule pouvait être manipulée par des champs magnétiques. Lorsqu'ils ont appliqué un champ magnétique faible de seulement 5 millitesla, la luminosité de la lumière a changé jusqu'à 3 pour cent. Cette sensibilité suggère que la molécule pourrait agir comme un capteur hautement efficace pour détecter de minuscules fluctuations magnétiques dans son environnement.

Pour prouver que la molécule pouvait fonctionner comme un dispositif quantique, les scientifiques ont réalisé une série de tests pour voir s'ils pouvaient contrôler les spins des électrons. Ils ont utilisé un flash laser pour préparer la molécule dans une configuration de spin spécifique, un processus connu sous le nom d'initialisation optique. Immédiatement après le flash, ils ont utilisé des impulsions de micro-ondes pour sonder l'état de la molécule. Ils ont découvert que les spins pouvaient être contrôlés de manière cohérente, ce qui signifie que les chercheurs pouvaient diriger l'état quantique avec précision. La molécule a conservé cette information pendant un temps étonnamment long, avec un temps de relaxation spin-réseau atteignant plus de 150 microsecondes, fixant une limite supérieure à la persistance de l'état. Bien que les expériences de contrôle cohérent aient été réalisées à basse température pour prolonger ces durées, les résultats indiquent que le matériau est un candidat viable pour le stockage d'informations. De plus, ils ont démontré qu'ils pouvaient adresser les différentes parties de l'état quartet séparément, une capacité essentielle pour utiliser la molécule comme un processeur multi-états plutôt que comme un simple interrupteur marche/arrêt.

Les chercheurs ont également exploré comment la molécule se comporte sous différentes conditions, telles que des variations de température et de champs magnétiques. Ils ont découvert que l'écart énergétique entre les états doublet et quartet était incroyablement petit, seulement environ 1 millielectronvolt. Cette infime différence signifie que l'énergie thermique à température ambiante est suffisante pour maintenir la molécule en mouvement entre ces états, ce qui est inhabituel pour les systèmes quantiques qui nécessitent souvent des températures de congélation pour rester stables. L'équipe a confirmé que le comportement de la molécule correspondait à leurs modèles théoriques, écartant la possibilité que des impuretés ou des réactions chimiques incomplètes causent les effets observés. Ils ont également montré que la molécule pouvait être utilisée pour la résonance magnétique détectée optiquement, une technique où les micro-ondes sont utilisées pour changer l'état magnétique de la molécule, qui est ensuite détecté par un changement de la lumière qu'elle émet. Cette méthode a fonctionné efficacement à température ambiante, un avantage significatif par rapport à beaucoup d'autres matériaux quantiques qui doivent être maintenus près du zéro absolu.

Ce travail représente une étape importante dans le développement des matériaux quantiques organiques. En créant une molécule qui combine stabilité, émission de lumière et contrôle multi-états, les chercheurs ont fourni un nouvel outil pour la détection et l'informatique quantiques. La capacité de lire et d'écrire l'information à l'aide de la lumière, combinée à la robustesse de la molécule à température ambiante, ouvre des possibilités pour l'intégration de la technologie quantique dans les appareils du quotidien. Bien que la molécule soit actuellement un prototype de laboratoire, ses principes de conception offrent une voie claire pour de futures améliorations. Les chercheurs suggèrent qu'en ajustant la symétrie de la molécule, ils pourraient davantage séparer les niveaux d'énergie, rendant le contrôle des états individuels encore plus facile. Cette molécule n'est pas seulement un nouveau composé chimique ; c'est la démonstration qu'un comportement quantique complexe peut être ingénieré dans des structures organiques simples, rapprochant davantage le rêve de dispositifs quantiques à l'échelle moléculaire de la réalité.