Une nouvelle manière de contrôler l’état magnétique d’une molécule sur une surface

L'étude et la manipulation de l'état de spin de molécules déposées sur des surfaces est un défi qui pourrait bénéficier grandement à la spintronique, la nanoélectronique et l'électronique quantique dans un avenir proche. L'un des objectifs actuels est de contrôler un nano-objet magnétique soit dans le régime classique, où la molécule se comporte comme un simple moment magnétique local, soit dans le régime quantique, où elle se couple aux modes électroniques de la surface.

Une équipe de physiciens du Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (LPEM, CNRS / ESPCI Paris - PSL / Sorbonne Université) et de l'Institut des Matériaux, de Microélectronique et des Nanosciences de Provence (IM2NP, Aix-Marseille Université / CNRS) a montré récemment comment l’état magnétique d’une molécule sur une surface est impactée par les fluctuations de charge de surface en combinant des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité et des mesures de microscopie à effet tunnel. Pour cela des molécules organiques magnétiques dérivées de porphyrine présentant un ion de fer ont été déposées sur une surface inhomogène d’or (voir figure). Ces molécules réagissent entre elles pour former des chaines, ici un trimère. Lorsqu’une des molécules de la chaîne est positionnée au-dessus d’un site particulier de la surface, elle présente un régime quantique non magnétique (dit « Kondo » par référence au physicien japonais qui donna dans les années 1960 une description théorique des interactions des impuretés magnétiques avec un conducteur) alors que, partout ailleurs, la molécule est magnétique et se comporte comme un nanoaimant. En utilisant la pointe du microscope pour déplacer les molécules, il a été possible de suivre plusieurs étapes de la transition entre l’état magnétique et l’effet Kondo à travers des états intermédiaires. L’origine de cette transition vient de l’exaltation des fluctuations de charge dans la molécule due à l’accroissement de l’hybridation des orbitales moléculaires avec les électrons de conduction de l’or à l’approche du site spécifique, qui s’accompagne d’une baisse de l’anisotropie magnétique dans la molécule. Il a été trouvé qu’une hybridation forte et une anisotropie magnétique faible sont propices à l’établissement de l’effet Kondo dans la molécule tout en conservant son état de spin (égal à 1).

Ces résultats, observés pour la première fois dans des systèmes moléculaires, pourraient être utiles pour contrôler les états de spin dans les dispositifs de spintronique à l’interface d’hybrides molécules/substrat. Ils sont publiés dans la revue ACS Nano.