Etude de l’effet de l’anisotropie magnétique sur la phase dynamique et sur la phase géométrique des bits quantiques de spins électroniques d'ions de métaux de transition Mn2+, Co2+, Fe3+ isolés et des complexes d'ions Fe3+ dans l’oxyde de zinc monocristallin

Abstract

Le traitement quantique de l'information est étudié depuis de nombreuses années sur des systèmes physiques très variés, tels que des ions piégés, des spins électroniques ou nucléaires dans des solides ou encore des composants électroniques supraconducteurs. Un des obstacles majeurs à la réalisation pratique d'un ordinateur quantique est la modification incontrôlée des phases quantiques, dynamiques ou géométriques, encodant l'information, résultant des fluctuations aléatoires de l'environnement des qubits. Dans cette thèse, nous avons étudié la cohérence quantique et les processus de décohérence des spins électroniques des ions de transition Mn2+, Co2+, Fe3+, ainsi que des complexes Fe3+/Cs+, et Fe3+/Na+,identifiés pour la première fois ici , tous présents dans le ZnO hydrothermal monocristallin en tant qu'impuretés résiduelles. Nous avons trouvé que l’anisotropie magnétique peut altérer la cohérence de la phase dynamique des qubits des spins électroniques. En effet, nous avons mesuré une faible décohérence pour les spins d’ions Mn2+et Fe3+ dans ZnO, qui ont tous deux une faible anisotropie magnétique uniaxiale, tandis que dans le cas des ions Co2+ isolés, qui ont une très forte anisotropie magnétique uniaxiale, une décohérence extrêmement rapide a été mise en évidence. Nous avons trouvé également que les spins électroniques des complexes de type Fe3+/Cs+, ayant un tenseur d’anisotropie magnétique bien plus complexe que la simple anisotropie uniaxiale des ions Fe3+ isolés du ZnO, possèdent presque le même temps de décohérence que ces derniers isolés. Par ailleurs, dans une étude théorique par la méthode des perturbations, nous avons pu investiguer l’effet de l’anisotropie magnétique sur la phase géométrique des qubits de spins. Nous avons trouvé que la phase géométrique totale contient un terme supplémentaire dû à l’anisotropie magnétique et que ce dernier existe dans tout système ayant un spin S>1/2. Il restera donc à déterminer si ce terme supplémentaire est un atout ou un inconvénient lorsque l'on souhaite encoder l'information quantique sur la phase géométrique de spins électroniques S>1/2.