Filtres à spin moléculaires à base d’interférences quantiques

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=G_S (Figure 1b) (où G_S=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).

Figure 1: Jonction Ag/Vanadocene/Ag. Expérience: histogrammes de conductance d’une jonction atomique en argent pur (a) et en présence de molécules de Vanadocene (b). La statistique sur la conductance a été obtenue en cassant et en reformant la jonction un grand nombre de fois; Théorie: Probabilités de transmission des électrons de spins « up » et « down » calculées par une méthode ab initio (c) et par une approche modèle en liaisons fortes (d). Les deux chemins de propagation – via le Vanadium (en vert) et les cycles carboniques (en rouge) – interfèrent de manière destructive au niveau de Fermi pour les électrons de spin « up ». En revanche, l’interférence est constructive pour les électrons de spin « down ».

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.

Figure 2: Jonction Ni/Benzène/Ni. Lorsque la jonction est étirée, elle passe de la configuration « perpendiculaire » (à gauche) à la configuration « tilted » (à droite) et deux nouveaux canaux de conduction (en bleu) passant par les orbitales moléculaires HOMO et LUMO s’ouvrent, en plus du canal (en rouge) passant par l’orbitale HOMO-2. L’interférence destructive entre ces trois chemins conduit alors à une annulation de la transmission «up» au niveau de Fermi (calculée ici par une méthode ab initio)..

Contact CEA : Alexander Smogunov, Groupe Modélisation et Théorie (SPEC/GMT)

Références :

• A. N. Pal, D. Li, S. Sarkar, S. Chakrabarti, A. Vilan, L. Kronik, A. Smogunov, O. Tal, Nonmagnetic single-molecule spin-filter based on quantum interference, Nature Communications 10, 5565 (2019)
• D. Li, R. Banerjee, S. Mondal, I. Maliyov, M. Romanova, Y. J. Dappe, and A. Smogunov, Symmetry aspects of spin-filtering in molecular junctions: hybridization and quantum interference effects, Phys. Rev. B 99, 115403 (2019)

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