Deux décennies après la découverte de la magnétorésistance géante (GMR), un des enjeux majeurs reste la réalisation et la miniaturisation des composants. L’essentiel des systèmes utilisés aujourd'hui est usuellement formé de multi-couches inorganiques, alternant matériaux magnétiques et non magnétiques (métalliques ou isolants), dont la qualité cristalline des couches ainsi que des interfaces est souvent cruciale.

On voit aujourd'hui apparaître un nouveau genre de systèmes "hybrides" formés d'une combinaison de couches inorganiques et organiques, par dépôt de couches moléculaires sur des surfaces cristallines. Cette "spintronique moléculaire" présente plusieurs avantages, en particulier la grande longueur de diffusion de spin des systèmes carbonés (distance sur laquelle le spin des électrons transporté est conservé), ainsi que la flexibilité apportée par l’utilisation de molécules dont l’agencement et les propriétés sont de mieux en mieux maîtrisés.

Les mesures de transport électronique à travers des couches minces organiques ont révélé des comportements très complexes et en particulier le rôle essentiel joué par les interfaces métal/organique dans l’injection de spin ("spinterface"). Pour maîtriser ces mécanismes d’injection de spin depuis le substrat vers la couche organique, il est indispensable de comprendre et analyser le phénomène au niveau de la molécule individuelle.

L'équipe du laboratoire de Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ) a ainsi entrepris une étude expérimentale détaillée d’un système modèle constitué de molécules de C₆₀ déposées sur une surface de chrome, par microscopie à effet tunnel résolue en spin (SP-STM : Spin-polarized STM). Injecté par une pointe aimantée, le courant tunnel est polarisé en spin et les images (cartographie de la conduction à un potentiel donné) révèlent l'orientation magnétique relative de la pointe et de l’échantillon. Le système étudié offre la particularité que la surface de chrome d’orientation cristallographique (001) comporte naturellement des zones d’orientation magnétique alternée du fait de l’ordre antiferromagnétique en volume. Cette spécificité originale permet de comparer aisément sur un même échantillon deux configurations d’orientation magnétique opposée (figure 1). Les images de SP-STM (figure 2) permettent de visualiser très clairement cet ordre antiferromagnétique, qui fut d’ailleurs le système modèle des pionniers du STM polarisé en spin. Le système choisi présente enfin l'avantage que la molécule de C₆₀ est bien connue et plusieurs travaux ont déjà été consacrés à son adsorption sur des surfaces de métaux nobles.

Le résultat essentiel de l'étude montre que la conductance différente des terrasses de chrome reste "visible" à travers les molécules de C₆₀. Les mesures locales de conduction à travers chaque molécule de C₆₀ montrent de fortes variations selon l’orientation magnétique de la terrasse sous jacente. Une analyse statistique détaillée donne une variation relative de magnétorésistance de -50% à 100%, selon la différence de potentiel appliquée entre la pointe et le substrat. Une imagerie en conductance différentielle à différents voltages fournit également une information fine sur les orbitales moléculaires impliquées.

L’équipe MSIN de l’Iramis/SPCSI a entrepris une modélisation de ce système par une approche ab-initio. La méthode consiste à résoudre l’équation de Schrödinger du système complexe formé d’une molécule de C₆₀ déposée sur une surface de chrome. L’analyse des résultats du calcul fournit un éclairage nouveau permettant d’interpréter les expériences de manière précise. Elle montre que les orbitales moléculaires du C₆₀ sont sensibles à l’aimantation de la surface de chrome sous-jacente. L’adsorption affecte très différemment les orbitales moléculaires selon leur polarisation et ceci est particulièrement frappant pour les orbitales LUMO (voir Fig. 3) qui participent au transport électronique aux faibles voltages. On constate d’une part que la séparation ("splitting") des orbitales LUMO en deux orbitales de symétrie différente, m=0 et m=±1, cf. Fig. 3, est beaucoup plus forte pour les états de spin "up" que "down". A noter que leur position énergétique est également décalée d’environ 0.5 eV, en accord avec l’expérience. Ce phénomène peut être attribué au fait qu’au niveau de Fermi les états électroniques dominants d’une surface de chrome d’aimantation "up" sont également de caractère essentiellement "up" et par conséquent le couplage avec les orbitales moléculaires est plus fort. Enfin nous avons montré que les états électroniques qui contribuent majoritairement au courant ont une symétrie spécifique (m=0, cf. Fig. 3) correspondant à des orbitales moléculaires sphériques, comme observé expérimentalement.