Nous sommes tous habitués à l'idée que les unités les plus simples de la nature interagissent pour former des structures complexes. Prenez, par exemple, la hiérarchie de la vie, où les atomes se combinent pour former des molécules, les molécules se combinent pour former des cellules, les cellules se combinent pour former des tissus, et ainsi de suite, pour finalement aboutir à la formation d'organismes complexes tels que les humains. Dans le monde quantique, cependant, ce processus peut jouer en sens inverse, où les interactions entre deux objets complexes conduisent à l'émergence d'espèces plus simples.

Toutes les particules élémentaires ont un "spin", une propriété fondamentale qui régit leur interaction avec les champs magnétiques. Les spins sont quantifiés, ce qui signifie qu'ils ne peuvent prendre que des valeurs discrètes. Les électrons ont le plus petit spin possible, qui peut prendre deux valeurs discrètes, tandis que les systèmes les plus simples suivants sont ceux dont le spin prend trois valeurs discrètes - on les appelle respectivement spin ½ et spin 1. Dans les années 1980, il a été prédit qu'une chaîne unidimensionnelle d'unités de spin 1 en interaction devrait être "fractionnée", de sorte que les unités terminales de la chaîne se comportent, de manière contre-intuitive, comme des objets de spin ½. Par conséquent, à l'instar des magiciens qui semblent scier une personne en deux moitiés et les séparer, les corrélations quantiques dans la chaîne divisent un spin 1 en deux entités de spin ½.

Gauche : Micrographie à effet tunnel d'un échantillon contenant des chaînes de spin quantique de triangulène, où les chaînes contenant entre deux et sept unités de triangulène sont mises en évidence. A droite : Micrographie à effet tunnel à haute résolution d'une chaîne de spin de dix unités de long, où les unités de triangulène constituantes sont clairement résolues. De plus, le courant de tunnel plus important sur les unités de triangulène terminales qui conduit à leur apparence plus brillante est dû aux excitations de spin-½ aux extrémités de la chaîne. La structure chimique du triangulène est illustrée dans l'encadré. Image : Empa

Tester cette prédiction en laboratoire s'est avéré difficile pour diverses raisons, la principale étant que les matériaux conventionnels ne sont pas unidimensionnels. Si des preuves indirectes du fractionnement du spin ont été observées dans des cristaux de chaînes organométalliques contenant des ions de métaux de transition, l'observation directe du phénomène est restée difficile.

Aujourd'hui, une équipe internationale de chercheurs a trouvé une voie remarquable pour accomplir cet exploit. En combinant la chimie organique et la science des surfaces sous ultravide, l'équipe a fabriqué des chaînes d'un hydrocarbure aromatique polycyclique triangulaire de spin 1, connu sous le nom de triangulène. À l'aide d'un microscope à effet tunnel, l'équipe a ensuite sondé les excitations magnétiques de ces chaînes de spin sur une surface en or. Ils ont constaté qu'au-delà d'une certaine longueur, les unités triangulènes terminales des chaînes présentaient des résonances de Kondo - qui sont une empreinte spectroscopique caractéristique des objets quantiques de spin ½ en contact avec une surface métallique.

Les chercheurs de l'Empa Shantanu Mishra, Pascal Ruffieux et Roman Fasel (de gauche à droite) dans une installation à ultravide pour la préparation de chaînes de spin de triangulène. Image : Gian Vaitl / Empa

Les chercheurs sont convaincus que les systèmes de spin moléculaires facilement et directement accessibles, présentant un comportement fortement corrélé des électrons, deviendront un terrain de jeu fertile pour développer et tester de nouveaux concepts théoriques. En plus d'explorer les chaînes de spin linéaires, les scientifiques se concentrent également sur les réseaux bidimensionnels d'aimants quantiques. Ces réseaux de spins constituent une plateforme matérielle prometteuse pour l'informatique quantique.