Vers un nouveau concept de dispositif en spintronique moléculaire

12 juillet 2022

La réalisation d’un contrôle et d’une détection du magnétisme compacts et économes en énergie est primordiale pour le développement de futurs dispositifs pspintroniques. L’utilisation de molécules uniques comme unités quantiques ouvre une nouvelle voie pour atteindre les limites physiques de la miniaturisation. Cependant, en raison du très grand nombre de combinaisons de matériaux possibles, il existe un besoin urgent d’une compréhension fondamentale et de concepts nouveaux pour concevoir des dispositifs moléculaires fonctionnels. Un nouveau concept a été proposé, permettant la manipulation et la détection de spin tout électrique dans les spinterfaces moléculaires.

« Plus petit, plus rapide, moins énergivore » sont quelques-uns des mots clés pour les technologies futures de l’information et de la communication. Actuellement, les dispositifs spintroniques fonctionnent principalement via un champ magnétique externe (c’est à dire des dispositifs à magnétorésistance tunnel), qui consomment beaucoup d’énergie.

 

Des chercheurs du CEMES-CNRS associés à des physiciens de l’Université technique du Danemark et du SPEC-CEA ont proposé théoriquement (ab initio + théorie du transport quantique) un nouveau concept permettant d’obtenir un contrôle entièrement électrique pour les dispositifs spintroniques moléculaires sans avoir à s’appuyer sur des champs magnétiques externes.

Une configuration de transport quantique à trois terminaux (Fig. 1a) est proposée, dans laquelle une molécule de porphyrine de fer (FeTPP) est déposée sur un substrat de graphène dopé au bore (BG). Notamment, une commutation de spin réversible entre les états de spin S = 1 à S = 3/2 est obtenue par une tension de grille, retraçant leur origine à une forte hybridation entre les orbitales Fe-d_z2 et B-p_z en raison d’une parfaite symétrie orbitale (Fig. 1b).

Ces résultats mettent en évidence un mécanisme « d’écriture » d’un spin à l’échelle atomique. Par ailleurs, les auteurs ont 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 (Fig. 1c). 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.

Nous avons donc proposé un concept nouveau d’écriture et lecture d’états de spin à l’échelle de la molécule unique à l’aide d’un procédé nécessitant une opération électrique (tension de grille) beaucoup moins énergivore que l’application d’un champ magnétique ou le passage d’un courant électrique intense. Ce travail qui vient d’être publié dans Phys. Rev. Lett. pourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux dispositifs spintroniques à basse consommation.

Publication :
Proposal for all-electrical spin manipulation and detection for a single molecule on boron substituted graphene
F. Gao, D. Li, C. Barreteau, and M. Brandbyge
Phys. Rev. Lett. 129, 027201 (2022)

Contact :
Dongzhe Li | dongzhe.li[chez]cemes.fr