Electronic read-out of a single nuclear spin based on a molecular spin transistor

Spintronique moléculaire : étude de la dynamique d'un spin nucléaire unique

Romain Vincent (1)

1 NEEL - Institut Néel

This PhD thesis is at a cross-road between three different fields : the spintronics which uses the spin degree of freedom of the electron to build new devices ; the molecular electronics which tries to take advantage of the new development of the chemistry, to give a workaround to the all semiconductor paradigm of the microelectronics industry; and the molecular magnetism which synthesizes molecular magnet with properties of an increasing richness. Our work has been dedicated to the fabrication of a molecular magnet based electronic device with which we could use the spin of the electron to study the magnetic properties at a single molecule level. Such device could, in the future, be used in the field of quantum information. We have decided to fabricate a field effect molecular transistor in which a well known molecular magnet, the Terbium double-decker or TbPc2, acts as a channel. Thanks to this device, we evidenced the quantum tunnelling of the magnetization (QTM) at single molecule level. We demonstrated that the magnetic moment reversal induces an abrupt change in the differential conductance of the system. By performing a statistical study, we highlighted four resonances that were attributed to QTM. We also measured a single nuclear spin state : each resonance being directly associated with one particular nuclear spin state. We studied the nuclear spin temperature and showed that it could be influenced by the electrostatic environment. Furthermore, the spin state lifetime was assessed and estimated to few seconds, highlighting the low invasive character of our measurement technique. This work give the foundation of the first molecular magnet based Qbit. With radio frequency techniques, the nuclear spin could be manipulated, the readout being performed through conductance measurement.

Cette thèse se situe à la croisée de trois domaines : la spintronique qui s'attache à utiliser le degré de liberté du spin de l'électron afin de fabriquer de nouveaux dispositifs électroniques; l'électronique moléculaire qui cherche à profiter des progrès de la chimie moderne afin de fournir des alternatives au tout semi-conducteur de la micro-électronique; le magnétisme moléculaire qui cherche à synthétiser des aimants moléculaires aux propriétés toujours plus riches. Notre travail a consisté à produire un dispositif électronique à base d'aimant moléculaire et d'utiliser le spin de l'électron afin d'étudier les propriétés magnétiques à l'échelle d'une molécule. Des dispositifs semblables pourraient, dans l'avenir, constituer l'une des briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons pour cela opté pour un transistor moléculaire à effet de champ, ayant pour canal un aimant moléculaire aux propriétés magnétiques bien connues : le Terbium double-decker ou TbPc2. Grâce à ce dispositif, nous avons, dans un premier temps, mis en évidence le retournement de l'aimantation d'une molécule unique par effet tunnel ou QTM (quantum tunneling of the magnetization). En effet, nous avons démontré que ce retournement entraînait une modification soudaine de la conductance de notre système. En effectuant une étude statistique sur les valeurs du champ de retournement, nous avons mis en évidence la présence de résonances que nous avons pu attribuer au phénomène de QTM. Nous avons également mesuré l'état d'un spin nucléaire unique : chaque résonance étant associée à un état de spin nucléaire. Nous avons étudié la température du spin nucléaire et montré que celle-ci pouvait être influencée par l'environnement électrostatique du système. En outre, le temps de vie d'un état de spin nucléaire a été extrait et estimé à quelques secondes, vérifiant que le système était faiblement perturbé par notre technique de mesure. Ces travaux jettent les bases de la construction du premier Qbit à base d'aimants moléculaires. Par des techniques de radiofréquence, le spin nucléaire pourrait être manipulé, la lecture se faisant ensuite par une mesure en conductance.

Mots clés: Spintronic; Molecular magnet; Nuclear spin; Electromigration; Spin Dynamic; Quantum dot

Mots clés: Spintronique; Aimant moléculaire; Spin nucléaire; Electromigration; Dynamique de spin; Boîte quantique

Domaines: Physique [physics]

Romain Vincent. Spintronique moléculaire : étude de la dynamique d'un spin nucléaire unique. Physique [physics]. Université de Grenoble, 2012. Français. ⟨NNT : 2012GRENY113⟩. ⟨tel-00945672⟩