Service de Physique de l'Etat Condensé
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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. |
En collaboration avec le groupe expérimental d’Oren Tal à l'Institut Weizmann des Sciences (Israël), il a été montré [1] qu’une molécule de Vanadocene (VC10H10, de spin S = 3/2) capturée entre deux électrodes en argent (Figure 1) peut fonctionner comme un filtre à spin très efficace, ne laissant passer que des électrons qui présentent un spin antiparallèle à celui de la molécule, avec une probabilité maximale de passage proche de 1. Cette situation correspond à un transport quasi-balistique complètement polarisé en spin de conductance G=GS (Figure 1b) (où GS=e2/h représente le quantum (par spin) de conductance) – ce qui est très rare pour les jonctions moléculaires. Les calculs ab initio de transport électronique (Figure 1c) et les simulations modèles en liaisons fortes (Figure 1d) ont démontré que les deux chemins de propagation d'un électron sont importants: i) par l’état de Vanadium (V↑,↓) qui est polarisé en spin et ii) par les cycles de Carbone qui ne sont pas polarisés en spin. Ainsi, l’interférence entre ces deux chemins, destructive pour les spins «up» et constructive pour les spins «down», est responsable de la polarisation P=100% de la conductance totale (définie comme P=(G↓-G↑)/G↓ où les conductances G↑ et G↓ sont données par les transmissions correspondantes au niveau de Fermi). Considérés séparément, les deux chemins ne donnent qu’une polarisation partielle (calcul ab initio) ou tout à fait nulle (modèle).
Dans un autre cas étudié – des jonctions Ni/Benzène/Ni (Figure 2) [2] – les électrons de spin "up" des électrodes en nickel, qui sont tous de symétrie s au niveau Fermi, deviennent totalement bloqués lorsque la jonction est étirée et passe ainsi de la configuration "perpendiculaire" (Figure 2, à gauche) à la configuration «tilted» (Figure 2, à droite). Ce blocage des électrons "up" dans la configuration «tilted» est dû à l’interférence destructive entre le chemin principal par l'orbitale moléculaire HOMO-2 et deux autres chemins liés aux orbitales HOMO ("highest occupied molecular orbital") et LUMO ("lowest unoccupied molecular orbital"). Ces dernières sont «inactives» dans le cas «perpendiculaire» (où elles sont orthogonales, par symétrie, au canal s du nickel) mais deviennent "actives" si la molécule se tourne grâce à la symétrie réduite de la jonction, ce qui donne lieu à une interférence destructive et conduit à la coupure de la conductance "up". Ce travail montre aussi comment les effets d’interférence quantique peuvent être activés ou désactivés par un étirement mécanique et propose donc un moyen simple de contrôler le filtrage de spin.
Contact CEA : Alexander Smogunov, Groupe Modélisation et Théorie (SPEC/GMT)
Références :
Collaboration :
• Service de Physique de l'État Condensé - SPEC, UMR 3680 CEA – CNRS, Université Paris-Saclay
• Département de Physique-Chimie et Biophysique, Institut Weizmann des Sciences, Rehovot, Israël
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Électronique et optique du futur › Structure électronique et modélisation atomistique
• UMR 3680 - Service de Physique de l'Etat Condensé (SPEC)
• Groupe Modélisation et Théorie / Modeling and Theory Group
