​Certains cristaux contenant des ions de terres rares, comme l'erbium, peuvent être manipulés très précisément à l'aide d'ondes électromagnétiques. En choisissant une fréquence particulière, il est possible de modifier la population d'une petite partie des ions et ainsi de laisser une sorte d'"empreinte" dans leur spectre de résonance, c'est-à-dire dans la manière dont ils réagissent aux différentes fréquences. Les physiciens parlent de trou spectral.

Conserver cette empreinte le plus longtemps possible est un enjeu important pour traiter et stocker de l'information. Or, dans les systèmes paramagnétiques étudiés jusqu'ici, sa durée de vie reste généralement limitée, de quelques secondes à environ une minute selon les systèmes.

Refroidir le cristal pour conserver l'empreinte

Pour tenter de dépasser cette limite, les chercheurs du groupe Quantronique du SPEC (UMR CEA-CNRS, CEA-Iramis), en collaboration avec l'Université de Sherbrooke, la Chinese University of Hong Kong, Chimie ParisTech, l'IM2NP et l'Institut Néel (CNRS), ont étudié un cristal de tungstate de calcium (CaWO₄) contenant seulement environ 3 ions d'erbium pour un milliard d'atomes.

Ils ont refroidi ce cristal jusqu'à 10 mK (une température extrêmement proche du zéro absolu), et utilisé un résonateur supraconducteur pour agir sur les ions erbium avec des micro-ondes. À cette température, l'interaction entre les ions erbium et certains noyaux d'atomes de tungstène voisins permet à la modification créée dans le spectre de persister particulièrement longtemps. Les chercheurs ont également envoyé de manière répétée des paires d'impulsions micro-ondes afin de créer une succession régulière de modifications dans le spectre. Lorsqu'une nouvelle impulsion est envoyée, cette structure produit des signaux retardés, appelés "échos accumulés". À 10 mK, ces échos sont encore mesurables après six jours. L'analyse de leur décroissance met même en évidence une composante particulièrement lente, associée à une constante de temps d'environ un mois.

Des spins presque « gelés » à très basse température

À très basse température, certains de ces spins interagissent extrêmement peu avec leur environnement. Ils évoluent donc très lentement et perturbent beaucoup moins les ions d'erbium. Les chercheurs parlent alors de "cœur gelé".

Cette stabilité est également visible dans les mesures réalisées sur les ions d'erbium. À 10 millikelvins, la fréquence à laquelle la majorité d'entre eux réagit aux micro-ondes varie de moins de 10 kHz en un mois. Leur environnement reste donc remarquablement stable pendant une longue période.

Comment expliquer une telle stabilité de l'empreinte ? À proximité des ions erbium, certains spins nucléaires du tungstène interagissent très peu avec les autres spins nucléaires du cristal et évoluent donc extrêmement lentement. Les physiciens parlent d'un effet de "cœur gelé". À 10 mK, les mesures montrent également que la fréquence de résonance de la majorité des ions erbium varie de moins de 10 kHz sur un mois, signe d'une très grande stabilité du système.

Ces travaux mettent ainsi en évidence les températures millikelvins comme un régime encore peu exploré et particulièrement intéressant pour les ions de terres rares. La capacité à conserver durablement une structure spectrale pourrait notamment être utile à des protocoles de stockage quantique. Des progrès restent toutefois nécessaires avant d'envisager une véritable mémoire quantique, notamment pour renforcer la modification du spectre et l'interaction entre les ions erbium et le résonateur. ​