Service de Physique de l'Etat Condensé

09 mai 2015
Des fils moléculaires non-magnétiques comme filtres à spins
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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.

 

 

L’électronique de spin ou spintronique, dont l'importance a été reconnue par le prix Nobel d’Albert Fert et Peter Grünberg en 2007, a pris une place considérable dans les technologies de l’information et de la communication. Le fait de pouvoir considérer deux courants de spin distincts dans le courant électrique a multiplié les possibilités d’applications dans le cadre d’une nouvelle électronique. En ce sens, des efforts considérables ont été consentis dans l’élaboration de nouveaux matériaux capables de filtrer les spins électroniques du courant électrique, dans le but d’applications technologiques dans des domaines aussi variés que les capteurs magnétiques, le stockage de données, ou encore les mémoires magnétiques. Parmi les matériaux pour la spintronique, les molécules organiques ont également été considérées dans le cadre d’une électronique moléculaire de spin. Cependant, jusqu’à présent, un filtrage de spin conséquent n’avait pas encore été obtenu à l’aide de molécules purement organiques. Un pas important vient d’être franchi dans cette direction par le travail d’une équipe du SPEC constituée d’Alexander Smogunov, chercheur CEA et de Yannick Dappe, chercheur CNRS.

 

Système étudié : une molécule de polythiophène relie deux électrodes ferromagnétiques d'aimantation inverses. Au sein de chaque électrode, les populations de spin majoritaire sont donc d’orientation opposées. Les orbitales de la molécule sont de type π, et ne sont pas couplés aux orbitales s des électrodes.

Les orbitales magnétiques dans une électrode ferromagnétique se répartissent en orbitales de symétrie s pour la population de spin majoritaire, et de symétrie s et d pour la population de spin minoritaire. Au voisinage du gap, les orbitales d’une molécule purement organique sont de type π. Or il se trouve que pour des raisons de symétrie, les orbitales s et π ne sont pas couplées. D’où l’idée simple de connecter une électrode ferromagnétique à une molécule organique et d’observer le transport de courant polarisé en spin au voisinage du niveau de Fermi, donc proche du gap moléculaire. Du fait de la symétrie des orbitales, la conductance de la population de spin majoritaire doit être nulle, au contraire de la population de spin minoritaire, réalisant par la même un filtre de spins parfait. Cette idée a été vérifiée pour un système modèle constituée de deux électrodes ferromagnétiques à base de nickel, et d’un brin de molécule organique à base de carbone, soufre et hydrogène. Pour ce faire, les chercheurs théoriciens ont modélisé ab initio cette jonction et en ont déduit le courant électrique transporté par chaque population de spin. Le résultat obtenu, conforme à l’idée originale, présente effectivement une conductance quasi-nulle au niveau de Fermi pour la population de spin majoritaire, alors que celle de la population minoritaire reste appréciable. Par conséquent, la jonction moléculaire obtenue se comporte comme un conducteur « demi-métallique », avec un courant de spin pratiquement polarisé à 100%.

Un autre effet intéressant réside dans la magnéto-résistance du système, qui caractérise la variation de courant avec l’orientation relative de l’aimantation des deux électrodes ferromagnétiques. Dans le cas présent, lorsque l’aimantation des deux électrodes est parallèle, un courant de spins minoritaires traverse toute la jonction. Dans le cas anti-parallèle, ce même courant de spins minoritaires traverse la première interface électrode-molécule, mais se retrouve bloqué à la deuxième du fait de l’inversion d’aimantation et du non-couplage entre états π et s.

En conséquence, ce nouveau type de filtres à spin hybrides métal/molécule organique représente donc une avancée considérable. Tout d’abord d’un point de vue fondamental, ce travail explore un mécanisme nouveau pour le blocage de spin, et ensuite d’un point de vue appliqué, ce résultat offre la perspective d’une magnéto-résistance proche de 100% puisque le courant électrique se retrouve quasiment bloqué dans le cas d’aimantations opposées entre les deux électrodes ferromagnétiques.

 

© Alexander Smogunov – SPEC (UMR 3680 CNRS/CEA Saclay)
Evolution de la transmission électronique de la jonction moléculaire en fonction de l'énergie pour la population de spin up (rouge) et down (bleu), révélatrice de l'effet de filtrage de spin. En noir, évolution de la transmission pour les populations de spin up ou down (identiques par symétrie) dans le cas anti-parallèle, synonyme de magneto-résistance à 100% de la jonction moléculaire. Au-dessus des courbes de transmissions sont représentés les canaux de conductance pour les polarisations de spin up (à gauche) et down (à droite), superposés au modèle atomique de la jonction.


Référence

Symmetry-derived half-metallicity in atomic and molecular junctions
Alexander Smogunov and Yannick J. Dappe
Accepté pour publication, ASAP Nano Letters (2015).

Contacts

Alexander Smogunov (chercheur CEA) et Yannick Dappe (chercheur CNRS)
IRAMIS/SPECGroupe Modélisation et Théorie (GMT)

 

Maj : 24/05/2015 (2484)

 

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