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Contrôler un aimant de taille moléculaire avec un champ électrique

Chercheurs associés et doctorants du collège de France les lauréats du prix de la Fondation Hugot 2011
Nicolas Roch
p. 46-47

Résumé

Nicolas Roch, 27 ans, a fait ses études supérieures à l’Institut national polytechnique de Grenoble, sa thèse au département nanosciences de l’Institut Néel, en 2009. Depuis 2010, il occupe au Collège de France un poste d’ATER rattaché à la chaire de Physique mésoscopique de Michel Devoret. Il conduit ses travaux au laboratoire Pierre Aigrain de l’ENS, dans l’équipe de Benjamin Huard et Michel Devoret. Il développe, fabrique et mesure des dispositifs pour le traitement quantique de l’information, tel qu’un amplificateur de signaux de fréquences micro-ondes fonctionnant aux limites fixées par la mécanique quantique.
Nicolas Roch est également lauréat du prix Saint-Gobain de la Société française de physique et du prix de thèse de la Fondation nanosciences de Grenoble.

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Texte intégral

1Le prix Hugot m’a été remis principalement au titre de ma thèse portant sur la réalisation d’un transistor à base de molécule unique. Le transistor est la brique de base des ordinateurs. Il est fabriqué en silicium, on en trouve plusieurs milliards dans les processeurs actuels.

2Mes travaux visent à réduire la taille de ces transistors en utilisant de nouveaux matériaux, mais aussi à leur donner, grâce au savoir-faire des chimistes, de nouvelles fonctionnalités (sensibilité à la lumière, aux champs électrique, magnétique, etc.).

3Durant ma thèse, j’ai démontré la possibilité de fabriquer un transistor à base d’une molécule unique, sensible au surplus aux champs magnétique et électrique.

4Il s’agit d’études en amont, mais on peut en espérer des applications futures dans le domaine de la spintronique.

Image du transistor moléculaire réalisée avec un microscope à force atomique

Image du transistor moléculaire réalisée avec un microscope à force atomique

Vers de nouveaux composants pour la spintronique : contrôler le magnétisme avec un champ électrique

  • 1  Le spin de l’électron est assimilable à une aimantation dont la direction changerait selon que l’é (...)

5La spintronique, ou électronique de spin1, vise à réaliser une électronique utilisant les propriétés magnétiques des électrons. Les électrons se comportent en effet comme de petits aimants élémentaires qui tournent sur eux-mêmes, comme une toupie autour d’un axe. Cette rotation définit leur « spin ». Grâce à cette orientation, les électrons peuvent transporter de l’information. Mais comme ils ne conservent l’orientation de leur spin que sur des distances très courtes, les composants utilisés pour la spintronique doivent être structurés à l’échelle nanométrique.

  • 2  Les fullerènes sont des molécules d’un nanomètre de diamètre composées de carbone. Issues de manip (...)

6Nous avons réalisé un transistor en insérant une molécule unique de fullerène2 entre deux électrodes de taille nanométrique (figure ci-contre). Deux électrons sont ensuite apportés à cette molécule. En fonction du champ électrique appliqué, les directions des aimants portés par ces électrons sont alors soit tête-bêche (et la molécule n’est pas magnétique), soit orientées dans la même direction (la molécule de fullerène devient magnétique). Ce dispositif permet donc de contrôler l’état magnétique du transistor grâce à une tension électrique.

Les transistors à molécule unique : une plateforme pour des études de physique fondamentale

7L’échelle nanométrique des objets pose en outre des questions plus fondamentales. En effet, réduire la taille des dispositifs implique de saisir d’autres lois physiques que celles connues à l’échelle macroscopique. Parmi elles, un phénomène appelé « effet Kondo » explique le lien entre magnétisme et conductivité du dispositif. Lorsque la molécule est magnétique, c’est-à-dire dans la situation où les spins sont alignés, le transistor peut conduire un courant, contrairement au cas où les électrons sont orientés en sens opposé.

8Le passage d’un état à l’autre dans l’organisation de ces spins est très similaire au changement de phase que l’on peut observer dans les aimants macroscopiques ordinaires, et qui peut être provoqué en chauffant les aimants au-dessus d’une température limite, leur faisant ainsi perdre leur aimantation (770° C pour le fer). Les expériences que nous avons menées sur notre transistor à molécule unique sont au contraire réalisées à très basse température (quelques dixièmes de degrés au-dessus du zéro absolu).

Ainsi, ce n’est plus la température qui gouverne la transition de phases mais le champ électrique.

  • 3  La mécanique quantique est caractérisée par un don d’ubiquité des petits systèmes et des spins, c’ (...)

9L’étude des transitions de phases générées par champ électrique, appelées transitions de phases quantiques3, dépasse le seul contexte de la spintronique. Des effets similaires ont été observés dans d’autres domaines de la physique, comme dans celui des réseaux d’atomes froids ou encore des supraconducteurs à haute température critique ».

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Notes

1  Le spin de l’électron est assimilable à une aimantation dont la direction changerait selon que l’électron tourne sur lui-même dans un sens ou dans l’autre. Cet état quantique se décrit alors par deux valeurs, positive ou négative (+1/2 ou -1/2 dans le cas d’un seul électron).

2  Les fullerènes sont des molécules d’un nanomètre de diamètre composées de carbone. Issues de manipulations humaines et non présentes à l’état brut dans la nature, elles peuvent prendre la forme d’une sphère, d’un ellipsoïde, d’un tube ou d’un anneau.

3  La mécanique quantique est caractérisée par un don d’ubiquité des petits systèmes et des spins, c’est-à-dire qu’ils peuvent avoir deux positions ou énergies à la fois.

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Table des illustrations

Titre Image du transistor moléculaire réalisée avec un microscope à force atomique
URL http://lettre-cdf.revues.org/docannexe/image/1231/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 285k
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Pour citer cet article

Référence papier

La Lettre du Collège de France no 31, Paris, Collège de France, juin 2011, p. 46-47, ISSN 1628-2329.

Référence électronique

Nicolas Roch, « Contrôler un aimant de taille moléculaire avec un champ électrique », La lettre du Collège de France [En ligne], 31 | juin 2011, mis en ligne le 28 novembre 2011, consulté le 20 avril 2014. URL : http://lettre-cdf.revues.org/1231

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Auteur

Nicolas Roch

Post-doctorant, chaire de Physique mésoscopique, Pr Michel Devoret

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Droits d'auteur

© Collège de France

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