Mesurer la mémoire atomique avec la nano précision

Les événements qui se déroulent à l'intérieur des atomes se produisent à des vitesses qui sont normalement beaucoup trop rapides pour être capturées. Maintenant, les chercheurs de IBM 's Centre de recherche d'Almaden ont développé une technique qui leur permet de regarder cette action atomique avec une résolution sans précédent.

Appareil à mémoire : Le chercheur d'IBM Sebastian Loth utilise le microscope à effet tunnel que son équipe a utilisé pour mesurer la durée pendant laquelle un seul atome peut stocker des informations.

Les chercheurs ont utilisé la technique pour inverser l'orientation du spin d'un atome, une propriété quantique fondamentale, puis pour mesurer combien de temps l'atome se souvenait de cet état avant de revenir à son état de spin naturel. Il s'agit d'une première étape vers le développement d'une sorte de mémoire informatique qui fonctionne à l'échelle atomique, et la technique pourrait également être utilisée par les scientifiques des matériaux pour effectuer la recherche fondamentale nécessaire à la fabrication de matériaux solaires organiques plus efficaces.

Influencer et mesurer l'état de spin d'un atome est une façon de créer un bit quantique, ou qubit, qui peut simultanément servir à la fois de 1 et de 0 dans un ordinateur quantique. Il est possible de prendre une mesure statique du spin d'un atome, mais jusqu'à présent, il n'était pas possible d'observer le changement de spin d'un atome au fil du temps.

Des chercheurs dirigés par Don Eigler et Andreas Heinrich du laboratoire d'IBM à San Jose, en Californie, ont pu observer les spins atomiques tourner ou se détendre au fil du temps à l'aide d'un microscope à effet tunnel modifié, ou STM, un instrument inventé par les chercheurs d'IBM en 1981. Ils ont capturé des images de l'état de l'atome toutes les cinq nanosecondes, un million de fois plus vite qu'avant.

Les chercheurs d'IBM ont découvert qu'un seul atome de fer peut stocker des informations magnétiques sous forme de spin pendant environ une nanoseconde. Cependant, lorsque l'atome de fer est proche d'un atome de cuivre, sa mémoire quantique est prolongée, de sorte qu'il faut environ 200 nanosecondes pour que le spin se relâche. Les résultats ont été publiés la semaine dernière dans la revue La science .

L'information se désintègre en 200 nanosecondes, mais c'est beaucoup de temps, explique Sebastian Loth, membre de l'équipe de recherche. Les processeurs actuels effectuent plusieurs centaines de cycles de calculs pendant cette période.

Lorsque la pointe d'un STM est amenée très près d'une surface, un courant électrique peut circuler entre les atomes à la surface et sa pointe. En se déplaçant sur une surface, le microscope peut en générer une image. Et en analysant le flux de courant, il est possible de connaître l'état magnétique de l'atome, y compris son spin.

Pour améliorer la résolution temporelle du STM, les chercheurs ont modifié la pointe afin qu'elle non seulement mesure le courant électrique, mais l'alimente également. Ils ont alimenté un atome en courant, puis ont mesuré son état après une période de temps fixe. Pour chacune de ces périodes, ils ont pris 100 000 mesures. Ils ont fait varier le temps entre les impulsions et les mesures, répétant le processus encore et encore. Les images de chaque mesure ont été combinées sous forme d'images dans une vidéo. En rassemblant ces images, les chercheurs ont créé une image animée de l'état de spin de l'atome, avec une image prise toutes les cinq nanosecondes environ.

Loth dit que les chercheurs d'IBM espèrent utiliser la technique STM rapide pour deux domaines de recherche fondamentaux. Premièrement, ils continueront à l'utiliser pour déterminer si différentes combinaisons d'atomes peuvent stocker des informations quantiques plus longtemps. Deuxièmement, en utilisant un flux de photons au lieu d'un flux d'électrons comme signal d'impulsion, explique Loth, les chercheurs espèrent mieux comprendre comment certaines molécules organiques convertissent la lumière en énergie électrique. Cela pourrait conduire à de meilleures cellules solaires.

Des systèmes comme celui d'IBM pour le retournement et la mesure des spins atomiques pourraient potentiellement faire partie d'un futur ordinateur quantique, selon Alan Aspuru-Guzik , professeur de chimie et de biologie chimique à l'Université Harvard. Modifier et mesurer le spin des atomes, et être capable de prédire comment les atomes se comporteront, est une étape importante vers cet objectif, dit-il. La plupart des appareils qui ont été fabriqués jusqu'à présent, dit-il, ressemblent plus à des jouets quantiques qu'à des ordinateurs. Mais le domaine avance régulièrement, dit-il. Chaque semaine, quelqu'un démontre qu'il manipule un peu mieux le qubit.

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