Une molécule de plus ou de moins active un lien avec un supraconducteur

Comptez les maillons. Dans une chaîne moléculaire de quelques unités, une de plus ou une de moins suffit à décider si la chaîne interagit ou non avec un supraconducteur. Des chercheurs du centre de recherche CIC nanoGUNE, avec des chimistes de l'université de Saint-Jacques-de-Compostelle, l'ont montré sur une surface à l'échelle atomique, et publient le résultat dans la revue Nature.

Les chaînes sont formées de triangulènes, de petits fragments triangulaires de graphène portant chacun un spin, un minuscule moment magnétique égal à 1. Lorsque ces unités se couplent, leurs spins se combinent en un état quantique collectif connu sous le nom de phase de Haldane, une théorie avancée il y a plus de quatre décennies. Une chaîne constituée d'unités à spin entier présente une propriété remarquable : elle porte des états de spin fractionnaire de 1/2 à ses deux extrémités. L'équipe voulait voir ce qui se passe lorsque ces extrémités rencontrent un supraconducteur, un matériau qui conduit l'électricité sans résistance une fois refroidi dans son état supraconducteur.

La difficulté tenait à la surface elle-même. L'or est la meilleure plateforme pour construire ces structures de carbone par synthèse sur surface, mais l'or n'est pas supraconducteur. Le niobium l'est, mais son environnement chimique ne se prête pas à ce type de synthèse. La solution de l'équipe a consisté à faire croître un film d'or de 25 à 30 couches atomiques d'épaisseur sur un cristal de niobium. L'or acquiert la supraconductivité grâce à sa proximité avec le niobium, tout en conservant sa propre chimie : les molécules peuvent ainsi être construites sur une surface qui se comporte comme un supraconducteur.

Par microscopie et spectroscopie à effet tunnel, les chercheurs ont mesuré les chaînes une à une et mis en évidence un net effet de parité. Dans les chaînes d'un nombre impair de triangulènes, ils ont observé une signature caractéristique de l'interaction entre un moment magnétique et l'état supraconducteur. Dans les chaînes d'un nombre pair, cette signature disparaissait. Ce n'est pas le matériau seul, mais le nombre d'unités qui détermine le couplage. Pour qui conçoit des dispositifs moléculaires, cela signifie que l'interaction peut être réglée pendant la synthèse, une unité à la fois.

Pour le domaine, le gain est de pouvoir activer ou désactiver le couplage à la conception. Le chercheur principal, Nacho Pascual, du CIC nanoGUNE, souligne que les molécules magnétiques sont des candidates pour les bits quantiques, et qu'un supraconducteur pourrait à la fois les lire et les protéger du bruit, à condition de pouvoir contrôler leur interaction ; l'étude montre une voie pour y parvenir. L'équipe présente ce travail comme une plateforme pour explorer, molécule par molécule, la façon dont les états magnétiques et les phases topologiques interagissent avec un supraconducteur. Il ouvre la voie à de futurs capteurs et technologies quantiques. Aucun calendrier n'est donné, et ces résultats restent des mesures de laboratoire, qui n'ont pas encore été transformées en dispositifs.