The ability to exploit the spin properties of electrons has revolutionized information processing, particularly through the development of highly sensitive giant magnetoresistance sensors. Beyond these sensors, which consist of thin magnetic layers separated by an interface, new systems that could enable greater integration or higher sensitivity warrant further exploration.
Among the systems enabling spin polarization of an electronic current, a purely organic, non-magnetic polymer does not, at first glance, appear to be the ideal candidate. However, this is precisely what researchers at the Saclay Condensed Matter Physics Department (SPEC, UMR 3680 CNRS/CEA Saclay) have just demonstrated. In theoretical work published in Nano Letters, the team has demonstrated the possibility of fabricating a nearly perfect spin filter using a single strand of an organic molecule (a polythiophene molecule) connected between two ferromagnetic electrodes. This finding is based on simple symmetry considerations between the wave functions of the electrodes and the molecule. This result now opens a new path for the design and development of spin filters for molecular spin electronics.
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.
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.
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/SPEC – Groupe Modélisation et Théorie (GMT)