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Savoir manipuler à l’échelle nanométrique, un spin unique, en tant qu'objet porteur d'information quantique, présente un enjeu technologique majeur, et reste encore aujourd'hui un sujet d'un grand intérêt fondamental. 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, posséde 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.

Les spectres de photoémission reflètent la structure électronique des matériaux. Du fait même de la méthode, le système observé n'est plus dans son état fondamental mais présente des excitations de quasi-particules (paires électron-trou), ainsi que des effets à plusieurs corps qui ne peuvent être compris simplement comme l’excitation de particules renormalisée. Les pics principaux d'un spectre de photoémission correspondent généralement à la structure de bande intrinsèque et présentent une dispersion en énergie en fonction de l'angle d’émission. Des "répliques" de ces pics, appelés satellites, sont aussi observables. Comme elles sont entièrement dues aux interactions électroniques, elles peuvent en principe être utilisées pour mesurer la force de corrélation électronique dans un matériau.

Cependant, le plus souvent les spectres mesurés comprennent d'autres contributions qu'il restait jusqu'à présent très difficile à séparer. Notre étude montre comment l'intensité des pics satellites intrinsèques peut être extraite des spectres résolus angulairement mesurés et couplés avec des informations obtenues par une approche théorique, sur l’origine de satellites non-dispersifs. Par cet ensemble de méthodes, la photoémission résolue en angle (ARPES) peut être utilisée pour fixer a minima et sans ambiguïté une limite inférieure du degré de corrélation électronique.

Le contrôle et la manipulation du courant électronique et en particulier, de sa polarisation en spin à l’échelle atomique, constituent des objectifs importants en vue de futures applications en nanoélectronique et spintronique. En outre, l’implication d’effets quantiques fondamentaux tels que les interférences (destructives ou constructives) pour filtrer efficacement des électrons selon leur spin  (filtrage de spin) représente un très grand intérêt fondamental.

Les chercheurs du groupe Modélisation et Théorie du SPEC viennent de proposer diverses réalisations de jonctions à molécule unique dans lesquelles les interférences quantiques jouent un rôle déterminant dans le filtrage de spin au niveau de Fermi, menant ainsi à des courants fortement polarisés en spin.

La génération d’ions moléculaires est à la base de nombreuses méthodes d'analyse, comme le SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy), le MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation) ou le FIB (Focused Ion Beam). Au-delà des principes élémentaires de ces techniques, les phénomènes de double ionisation ou de fragmentation des ions formés doivent être mieux compris pour une meilleure interprétation des résultats de ces méthodes analyses.

Le CIMAP, le GPM de Rouen et le MPIE de Düsseldorf ont mis en commun leurs compétences pour analyser la stabilité d’ions doublement chargés : les dications. Leurs temps de vie ont été analysés en combinant des mesures de sonde atomique tomographique (SAT) et des simulations multi-techniques basées sur des calculs ab initio.

Il est montré que la manipulation d’un atome et d’une molécule à l’aide d’un microscope à effet tunnel permet la construction d’un nano-objet sur une surface, dont les propriétés électroniques sont modulables en fonction de la position relative de ses deux composants.

Cette étude illustre les multiples potentialités d'une chimie de piègeage (Trapping chemistry), permettant de moduler les propriétés mécaniques et réactives des molécules, par une maitrise fine des transferts de charge au sein du nano-objet constitué.

Dans une cellule photovoltaïque, l'absorption de la lumière excite les électrons à assez haute énergie, de l’ordre d’un électronvolt au-dessus du bas de la bande de conduction d’un semiconducteur. La relaxation de ces "porteurs chauds" est le principal phénomène limitant les performances de ces cellules, ainsi que de nombreux autres capteurs photo-électroniques.

Le premier processus de diffusion inélastique subis par les électrons chauds est le transfert d’énergie vers les vibrations du réseau (phonons). Comprendre cette dynamique de relaxation électronique, en particulier le rôle du couplage électron-phonon, est un enjeu majeur pour proposer les matériaux les plus performants pour les dispositifs photovoltaïques. Le travail collaboratif entre les théoriciens du LSI, de l’IMPMC, de l’université de Rome, et les expérimentateurs de l’Université d’Osaka, Japon, a permis de mettre en évidence dans le composé GaAs, deux régimes de relaxation distincts, entièrement dus à l’interaction électron-phonon. Ce résultat a pu être obtenu grâce à une méthode de calcul ab initio très avancée, développée récemment par les chercheurs du LSI en collaboration avec l’IMPMC. Les concepts élaborés dans ce travail faciliteront la description de la dynamique de relaxation des porteurs chauds dans des nombreux matériaux semiconducteurs.

Les excitons sont des excitations élémentaires collectives de basse énergie de la matière solide, impliquant la création de paires électron-trou. Ces excitations sont au cœur de l'interaction lumière-matière et à l'origine de phénomènes aussi divers que les processus photovoltaïques ou photo-catalytiques.

Les excitons peuvent être modélisés à l'aide d'approximations simples (modèles de Frenkel ou Wannier [1] ). Cependant de nouveaux développements théoriques sont nécessaires pour rendre compte précisément des progrès récents dans les mesures expérimentales à haute résolution (spectroscopie électronique de perte d'énergie (EELS) ou la diffusion inélastique des rayons X (IXS : Inelastic X-ray Scattering).

Dans ce travail, une collaboration de chercheurs autour de l'équipe ETSF du LSI montre comment une approche ab initio à plusieurs corps peut être étendue pour traiter les excitations propagatives à grand transfert de moment [2], et aller ainsi au-delà des limitations des principes de base [1]. Les courbes de dispersion des excitons de plusieurs systèmes (LiF, Ar, BN, graphane, et solides moléculaires) [3, 4, 5, 6] ont été ainsi obtenues, suggérant de nouvelles expériences. avec la mise en évidence d'un nouveau type d'excitation élémentaire : "l'excitaron", résultant de l'interaction entre trou et exciton [7].

L'utilisation des propriétés de spin de l'électron a permis de révolutionner le traitement de l'information, en particulier par la conception de capteurs magnétiques à magnétorésistance géante de très haute sensibilité. Au-delà de ces capteurs constitués de couches minces magnétiques séparées par une interface, de nouveaux systèmes, pouvant permettre une plus grande intégration ou une plus grande sensibilité méritent d'être explorés.

Parmi les systèmes qui permettent de polariser en spin le courant électronique, un polymère purement organique et non-magnétique ne semble a priori pas être le candidat idéal. Pour autant, c’est ce que viennent de démontrer des chercheurs du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, UMR 3680 CNRS/CEA Saclay). Dans des travaux théoriques publiés dans Nano Letters, cette équipe a montré la possibilité de fabriquer un filtre à spin quasi-parfait en utilisant un simple brin de molécule organique (une molécule de polythiophène) connectée entre deux électrodes ferromagnétiques. Cette démonstration repose sur de simples considérations de symétrie entre les fonctions d’ondes des électrodes et de la molécule. Ce résultat ouvre désormais une nouvelle voie pour la conception et l’élaboration de filtres à spins pour l’électronique moléculaire de spin.

Des diodes, transistors et autres composants électroniques sans métal, uniquement à base de carbone, seraient-ils possibles ? C’est ce que vient de démontrer une équipe franco-espagnole menée par le Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, URA 2464 CNRS/CEA). Dans des travaux publiés dans Nanoscale, cette équipe a réalisé la première description théorique d’une jonction moléculaire tout carbone, constituée d’une molécule de fullerène connectée à une électrode en graphène. En résolvant les équations de la mécanique quantique, les auteurs  démontrent les propriétés conductrices de la jonction. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique moléculaire entièrement à base de carbone.

La course à la miniaturisation des diodes électroluminescentes (DEL, en anglais : Light-Emitting Diode, LED) vient sans doute de franchir l’étape ultime : une équipe menée par l’Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg), en collaboration avec l’UPMC et le CEA, vient de réaliser la première LED composée d’une seule molécule. Ce dispositif est formé d’un brin unique de polythiophène placé entre la pointe d’un microscope à effet tunnel et une surface en or. Il émet de la lumière seulement lorsque le courant passe dans un certain sens. Ce tour de force expérimental permet de mieux comprendre les interactions entre électrons et photons aux plus petites échelles. Il constitue par ailleurs un pas de plus vers la réalisation de composants pour un futur ordinateur moléculaire. Ces travaux viennent d’être publiés dans Physical Review Letters.

Afin de traiter correctement la dynamique de spin pour des nano-objets, le Groupe Modélisation et Théorie du SPEC, en collaboration étroite avec une équipe du CEA/DAM, Le Ripault, a mis au point un modèle générique décrivant à l’échelle atomique la dynamique spatiale des atomes couplée à leur aimantation de spin. Sur cette base, il est possible de rendre compte, à l'aide d'un code de dynamique moléculaire magnétique optimisé, de détails fins du magnétisme du cobalt massif et de l'évolution rapide du magnétisme d'îlots nanométriques.

Après le Prix Nobel attribué à A. Fert et P. Grünberg pour leur découverte de la magnéto résistance géante, la révolution de la spintronique (utilisation du spin des électrons comme support d'information) se poursuit. Après les systèmes à base de couches minces métalliques ou d'oxyde, les systèmes moléculaires pourraient offrir de nombreux avantages technologiques et de nouvelles fonctionnalités. Associé à la première mise en évidence expérimentale par l'équipe "Matériaux et Phénomènes Quantiques" de l'Université Paris-Diderot, des effets de magnétorésistance tunnel à travers des molécules uniques de C₆₀ adsorbées sur une surface de chrome, des chercheurs de l’Iramis ont réussi à modéliser avec succès ce système complexe par des méthodes ab-initio. Les calculs permettent d’interpréter l’expérience en montrant que les états électroniques de la molécule de C₆₀ peuvent être polarisés en spin, par l’intermédiaire de leur interaction avec un substrat magnétique.