Comment les nanostructures de graphène deviennent magnétiques

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3D-rendered high-resolution scanning tunneling micrograph of Clar’s goblet

3D-rendered high-resolution scanning tunneling micrograph of Clar’s goblet. Image: Empa

Le graphène, structure bidimensionnelle du carbone, est un matériau aux excellentes propriétés mécaniques, électroniques et optiques. Cependant, il ne semblait pas utilisable pour les applications magnétiques jusqu’à présent. En collaboration avec des partenaires internationaux, les chercheurs de l’Empa ont réussi à synthétiser une molécule prédite dans les années 70 qui prouve que certaines nanostructures de graphène ont des propriétés magnétiques qui pourraient permettre de futures applications spintroniques. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue "Nature Nanotechnology".

Selon la forme et l’orientation des bords, les nanostructures de graphène (également appelées nanographènes) peuvent avoir des propriétés très différentes - par exemple, elles peuvent être électriquement conductrices, semi-conductrices ou isolantes. Cependant, une propriété a été pratiquement inaccessible jusqu’à présent : le magnétisme. Les chercheurs de l’Empa, l’Université technique de Dresde, l’Université d’Aalto en Finlande, l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence et l’Université de Berne ont réussi à construire une nanostructure en graphène aux propriétés magnétiques - et pourraient même être un composant décisif pour une électronique à spin qui fonctionne même à température ambiante.

Le graphène est constitué d’atomes de carbone, mais le magnétisme est une propriété qui n’est pas associée au carbone. Alors, comment le graphène peut-il devenir magnétique - Pour comprendre cela, une courte excursion dans le monde de la chimie et de la physique atomique est nécessaire. Dans le graphène, les atomes de carbone sont disposés comme un réseau en nid d’abeilles. Chaque atome de carbone entre en simple ou double liaison avec ses trois voisins. Dans une liaison simple, un électron de chaque atome - un électron dit de valence - se connecte à son voisin, et dans une double liaison, deux électrons se connectent entre eux. La représentation des composés organiques par alternance de liaisons simples et doubles est connue sous le nom de structure de Kekulé. Il doit son nom au chimiste allemand August Kekulé, qui proposa ce modèle en 1865 pour le composé organique le plus simple, le benzène à six chaînons. Il découle du principe d’exclusion mécanique quantique de Wolfgang Pauli que les paires d’électrons situées dans la même orbite doivent différer dans leur sens de rotation - ce qu’on appelle le spin.

"Cependant, pour certaines structures hexagonales, il est impossible de trouver une séquence alternée de liaisons simples et doubles qui répondent aux exigences de liaison de tous les atomes de carbone. Avec ces structures, un ou plusieurs électrons qui ne peuvent pas se lier sont contraints de rester à l’extérieur", explique Shantanu Mishra, chercheuse de nano-graphies nouvelles dans le département "nanotech@surfaces" de l’Empa dirigé par Roman Fasel. Le phénomène des électrons non appariés involontairement est appelé "frustration topologique" (Figure: 1).

Mais quel est le rapport avec le magnétisme - La réponse réside dans la "rotation" des électrons. La rotation d’un électron autour de son axe provoque un champ magnétique minuscule, un moment magnétique. Si, comme d’habitude, il y a deux électrons avec des spins opposés dans l’orbite d’un atome, ces champs magnétiques s’annulent. Cependant, si un électron est seul dans son orbite, le moment magnétique demeure - un champ magnétique mesurable en est le résultat (Figure 2).

C’est fascinant en soi. Mais il faut plus pour pouvoir utiliser la rotation des électrons dans les éléments de circuit. Une réponse pourrait être une structure qui ressemble à un noeud papillon sous un microscope à effet tunnel.

Dans les années 1970, le chimiste tchèque Erich Clar, un expert dans le domaine des hydrocarbures aromatiques polycycliques, a prédit une structure spéciale appelée "Clar’s Goblet". Il se compose de deux moitiés symétriques et est construit de telle manière qu’un électron dans chaque moitié doit rester topologiquement frustré. Cependant, comme les deux électrons sont reliés par la structure moléculaire, ils sont couplés antiferromagnétiquement, c’est-à-dire que leurs spins pointent nécessairement dans des directions opposées.

Dans son état antiferromagnétique, la coupe peut agir comme une porte logique "NOT", c’est-à-dire comme un onduleur : Si la rotation à l’entrée est inversée, la sortie doit également être forcée à tourner. Cependant, il est également possible d’amener la structure dans un état ferromagnétique, avec les deux spins dans la même direction. Pour ce faire, la structure doit être excitée avec une certaine énergie, l’énergie dite de couplage d’échange, de sorte que l’un des électrons inverse sa rotation.

Pour qu’une telle porte reste stable dans son état antiferromagnétique, elle ne doit pas passer spontanément à l’état ferromagnétique. Pour ce faire, l’énergie de couplage d’échange doit être supérieure à l’énergie libérée lors du fonctionnement du portail à température ambiante. C’est une condition préalable pour qu’un futur circuit spintronique (voir encadré) basé sur des nanostructures de graphène puisse fonctionner sans problème même à température ambiante.

Jusqu’à présent, cependant, des nanostructures de carbone stables, couplées antiferromagnétiquement à température ambiante, n’étaient que théoriquement prévues. Maintenant, pour la première fois, il a été possible de reproduire une telle structure et de montrer que la théorie correspond réellement à la réalité. "Réaliser la structure est un défi parce que la synthèse chimique est très complexe et que la coupe de Clar est très réactive ", explique Mishra. À partir d’une molécule précurseur, les chercheurs ont été en mesure de produire la coupe de Clar’s Goblet sous ultra-vide sur un substrat en or. Grâce à diverses expériences, ils ont pu démontrer que la molécule possède exactement les propriétés prévues.

Ils ont également découvert que l’énergie de couplage d’échange dans cette molécule est relativement élevée à 23 milliélectrons volts (meV) - et que les opérations logiques basées sur le spin pourraient donc être stables à température ambiante. "C’est un petit mais important pas dans la direction de la spintronique ", déclare Roman Fasel. L’étude vient d’être publiée dans la célèbre revue "Nature Nanotechnology".

La spintronique - composée des mots "spin" et "électronique" - est un domaine de recherche en nanotechnologie. Son but est de créer une électronique dans laquelle l’information n’est plus codée comme auparavant avec la charge électrique des électrons, mais avec le moment magnétique provoqué par la rotation de l’électron ("spin"). Ce spin d’électron est une propriété mécanique quantique - un seul électron peut avoir non seulement un état fixe "spin up" ou "spin down", mais une superposition mécanique quantique de ces deux états. A l’avenir, la spintronique pourrait non seulement permettre une miniaturisation plus poussée des circuits électroniques, mais aussi des éléments de commutation électriques aux propriétés entièrement nouvelles.