Molecular spintronic: from spin valve to single spin detection
Spintronique moléculaire: de la vanne de spin à la détection d'un spin unique
Résumé
Among the themes that have emerged over the past decade, molecular spintronics is interesting for its hybrid character, at the crossroads between spintronics, molecular electronics and molecular magnetism. In this new field, we try to exploit the particular quantum magnetic properties of single-molecule magnets in order to create original features, potentially useful in quantum spintronic. In this perspective, our project tends to couple a carbon nanotube quantum dot with single-molecule magnets through weak interactions, the aim being to observe the magnetization reversal of a single molecule by electron transport through the nanotube. The first part of this project focuses on the fabrication of devices thanks to micro-and nano-fabrication techniques, as well as optimizing the grafting of molecular magnets on the surface of the nanotube. The second part concerns the characterization of this hybrid architecture and its behavior at very low temperature (100 mK). We show that the proximity of the molecular magnets TbPc2 dramatically alters the transport properties of the nanotube. In particular, we describe the production of a device whose response is similar to a standard spin valve, wherein the molecules act as magnetic polarizer or analyzer. Among other results, we succeeded in isolating and characterizing the magnetization reversal of a single terbium ion. Finally, the last part of my talk is devoted to the study of the hyperfine interaction in terbium. By making a device that is coupled to only two molecules, we demonstrated that it is possible to make a direct reading of the state of the nuclear spin.
Parmi les thématiques qui ont émergé ces dix dernières années, la spintronique moléculaire est intéressante de par son caractère hybride, à la croisée entre l'électronique de spin, l'électronique moléculaire et le magnétisme moléculaire. Dans ce nouveau domaine, on cherche notamment à exploiter les propriétés magnétiques et quantiques des aimants moléculaires pour créer des dispositifs originaux, potentiellement utilisables en spintronique ou en information quantique. Notre projet s'inscrit dans cette perspective : en combinant un transistor à nanotube de carbone avec des aimants à molécule unique grâce à des interactions faibles, notre objectif est d'observer le renversement magnétique d'une seule molécule par des mesures de transport électronique à travers le nanotube. En effet, le diamètre de ce dernier étant comparable aux dimensions d'un aimant moléculaire, le couplage devrait être suffisamment fort pour en permettre la détection. La réalisation d'un tel dispositif, un défi technique, et la question de savoir s'il est réellement possible de détecter et de caractériser le moment d'une seule molécule constituent les deux enjeux majeurs de ce projet. La première partie de ce travail porte sur la fabrication du dispositif expérimental grâce à des techniques de micro- et nano-fabrication, ainsi que sur l'optimisation du greffage des aimants moléculaires sur la surface du nanotube. La seconde partie s'intéresse à l'étude du système et à son comportement à très basse température (100 mK). En effet, la proximité des aimants moléculaires TbPc2 modifie de façon spectaculaire les propriétés de transport d'un nanotube. En particulier, nous présentons la réalisation d'un dispositif dont la réponse est analogue à une vanne de spin classique, où les molécules magnétiques jouent le rôle de polariseur ou d'analyseur de spin. Grâce à ce système, nous avons réussi à affiner nos connaissances sur TbPc2. Entre autres résultats, nous sommes parvenus à isoler et à caractériser le retournement du moment magnétique d'un seul ion de terbium. Enfin, la dernière partie de ce travail est consacrée à l'étude de l'interaction hyperfine au sein du terbium. En réalisant un dispositif qui n'est couplé qu'à deux molécules, nous avons mis en évidence qu'il est possible de réaliser une lecture directe de l'état du spin nucléaire.