Partout dans le monde, des scientifiques préparent l’électronique du futur et tentent de maîtriser la manipulation à l'échelle nanométrique ; un spin unique, en tant qu'objet porteur d'information quantique, présente un enjeu technologique majeur. Un système composé de molécules magnétiques déposées sur une surface offre un banc d'essai unique pour traiter ce sujet, mais il est difficile, voire impossible, d'explorer expérimentalement les trop nombreuses pistes ouvertes, étant donné le nombre énorme de combinaisons molécule/surface possibles. C'est pourquoi la modélisation joue un rôle essentiel dans ce domaine.
Dans le cadre du projet H2020 FET-Open COSMICS, une collaboration entre l'Université Technique du Danemark (DTU), le CEMES CNRS de Toulouse et le CEA SPEC, montre par des méthodes de calcul de structure électronique et de transport que la porphyrine de fer, déposée sur un substrat de graphène dopé par du bore, possède des propriétés remarquables, pour en faire un dispositif de spintronique moléculaire que l'on peut piloter par la simple application d'une tension de grille. Ce dispositif mériterait ainsi d'être expérimentalement étudié.
La molécule de porphyrine de fer tetraphenyl (FeTPP) est très particulière et joue notamment un rôle primordial dans le transport de l'oxygène de l'hémoglobine. Ses propriétés exceptionnelles sont intimement liées à l'état magnétique de l'atome de fer central et à sa sensibilité à l'environnement (notamment l'hybridation de l'atome de fer). Il a par exemple été récemment montré, par une étude par microscopie électronique tunnel, que la molécule adopte différents remplissages électroniques, selon le substrat (or ou graphène) sur lequel elle est déposée. Par ailleurs, des travaux récents ont aussi montré qu'une molécule un peu similaire (phthalocyanine de fer – FePc) changeait d'état de spin quand elle était déposée sur un substrat de graphène dopé avec de l'azote.
Cette équipe internationale a entrepris de modéliser, par des approches basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), une molécule de FeTPP déposée sur un substrat de graphène dopé à l'azote ou au bore. Pour une molécule adsorbée sur un site azote, un léger décalage des niveaux de la molécule est seulement observé. Un changement drastique est par contre obtenu lorsque la molécule est placée au-dessus d'un atome de bore, dû à l'hybridation entre les orbitales dz du Fer et pz du bore : la molécule passe d'un spin S=1 à S=3/2 et le fer passe d'un degré d'oxydation Fe2+ à Fe3+.
Ces résultats mettent en évidence un mécanisme "d'écriture" d'un spin à l'échelle atomique. Mais on peut encore aller un cran plus loin en calculant le transport électronique bidimensionnel dans le plan du graphène. En effet nous avons mis en évidence une polarisation de spin importante (>10 % pour un taux de couverture réaliste du graphène par FeTPP) du transport électronique au niveau de Fermi en l'absence de tension de grille. De telles polarisations de spin sont parfaitement détectables avec des méthodes expérimentales telles que la mesure du bruit de grenaille (“shot noise” en anglais). Ces résultats complémentaires montrent qu'il est donc non seulement possible d'écrire mais aussi de lire le spin. Par ailleurs, il est également possible de sonder l'état de la molécule par l'intermédiaire d'une pointe STM.
Le système modélisé permet donc de proposer un nouveau concept d'écriture et lecture d'états de spin à l'échelle de la molécule unique, à l'aide d'un procédé nécessitant une simple polarisation électrique (tension de grille) beaucoup moins énergivore que l'application d'un champ magnétique ou le passage d'un courant électrique intense. Ce travail pourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux dispositifs spintroniques à basse consommation.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
