Les progrès de la spintronique moléculaire marquent le début d’une nouvelle ère pour les dispositifs à courant de spin
La découverte, il y a près de 30 ans, de la magnétorésistance géante a représenté une avancée monumentale, récompensée par le prix Nobel de physique 2007. Depuis lors, l’évolution très rapide de la capacité à exploiter à la fois la charge et le spin des électrons a permis de créer une pléthore de dispositifs de spintronique. Plus récemment, l’utilisation de molécules organiques plutôt que d’hétérostructures traditionnelles entièrement inorganiques a ouvert la porte à une gamme quasiment illimitée de propriétés et de fonctions uniques. Au vu des impressionnantes possibilités de combinaisons de matériaux, il est de la plus haute importance d’améliorer la compréhension fondamentale et les outils de conception moléculaire rationnelle. Le programme de l’UE Technologies futures et émergentes a financé les travaux du projet COSMICS afin de répondre à ce besoin et de favoriser des innovations technologiques totalement nouvelles.
Complexes à transition de spin sur des substrats inorganiques
Les complexes à transition de spin (SCO pour «spin crossover») sont des molécules qui peuvent exister à la fois à un état magnétique faible et élevé. Cyrille Barreteau, coordinateur du projet, rattaché au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, explique: «Les complexes SCO peuvent commuter d’un état bas spin (ou magnétisme faible) à haut spin en appliquant un stimulus externe tel que la lumière, la température, la tension ou la pression. La transition magnétique s’accompagne de la modification d’autres propriétés telles que le volume, les caractéristiques optiques et la conductivité. Cette commutation permet également aux scientifiques d’affiner d’autres propriétés lorsque le SCO est en contact avec un substrat.» Bien que les structures cristallines des complexes SCO soient connues de longue date, le dépôt de ces molécules sur des substrats s’est toujours révélé délicat et il est donc d’autant plus difficile de maintenir leur «commutabilité» intrinsèque. Les propriétés des complexes SCO sur les substrats restent donc globalement entourées de mystère.
Un aperçu inédit des propriétés des complexes SCO
COSMICS a créé un consortium pluridisciplinaire unique en son genre qui a élaboré des techniques de modélisation avancées, étayées par une expérimentation révolutionnaire dans le domaine balbutient de la spintronique moléculaire. «Le très puissant constructeur moléculaire mis au point dans le cadre de COSMICS est un outil précieux pour les chercheurs. Les outils d’analyse conviviaux facilitent énormément les calculs difficiles. Enfin, une mise en œuvre très efficace permet de simuler des systèmes à grande échelle à un coût de calcul modéré», observe Cyrille Barreteau. COSMICS a eu recours à ses outils de modélisation pour simuler les complexes SCO les plus robustes et proposer de nouveaux systèmes qui pourraient ouvrir des voies intéressantes pour la conception de dispositifs de spintronique moléculaire. Le dépôt couronné de succès des complexes SCO robustes par l’équipe a permis de jeter un regard unique sur les comportements de ces molécules énigmatiques prometteuses. Les données générées dans le cadre des expériences ont étayé les modèles et vice versa; cette combinaison gagnante a permis d’acquérir une compréhension approfondie du rôle des interactions intermoléculaire et molécule-substrat sur le mécanisme de commutation des complexes SCO.
Une étoile est née … et un héritage perdure
Cyrille Barreteau fait remarquer: «Étonnamment, nous avons découvert, dans l’un de nos complexes SCO, que le changement de volume des couches moléculaires qui se produit lors de la commutation était susceptible d’induire des changements importants au niveau des propriétés électroniques du substrat. Nous avons intégré le complexe SCO dans un concept de dispositif horizontal SCO/graphène, qui a permis faire la démonstration d’un transport d’électrons inédit sur une feuille de graphène.» Il est possible d’adapter le transport grâce à la lumière et/ou la température en utilisant la transition de spin de la surcouche du complexe SCO. Ces résultats seront utilisés pour préparer les premiers dispositifs à courant de spin adressables par la lumière fondés sur des complexes SCO. «Les outils de modélisation élaborés dans le cadre de COSMICS ont favorisé le développement de nouvelles méthodes fructueuses permettant d’incorporer des molécules magnétiques dans des dispositifs électroniques reposant sur la manipulation du spin à l’échelle monomoléculaire. Ils seront essentiels à la conception de nouveaux dispositifs», conclut Cyrille Barreteau. Les résultats du projet devraient donner un grand coup d’accélérateur à l’innovation dans le domaine naissant de la spintronique moléculaire.
Mots‑clés
COSMICS, SCO, complexe SCO, modélisation, graphène, magnétisme, molécules magnétiques, spintronique moléculaire, magnétorésistance, magnétorésistance géante, transition de spin, courant de spin, commutation
