Graphène, une structure bidimensionnelle en carbone, est un matériau avec une excellente mécanique, propriétés électroniques et optiques. Cependant, il ne semblait pas adapté aux applications magnétiques. Avec des partenaires internationaux, Les chercheurs de l'Empa ont réussi à synthétiser un nanographene unique prédit dans les années 1970, ce qui démontre de façon concluante que le carbone sous des formes très spécifiques possède des propriétés magnétiques qui pourraient permettre de futures applications spintroniques. Les résultats viennent d'être publiés dans la célèbre revue Nature Nanotechnologie .

Selon la forme et l'orientation de leurs bords, les nanostructures de graphène (également appelées nanographenes) peuvent avoir des propriétés très différentes, par exemple, ils peuvent montrer la conduite, comportement semi-conducteur ou isolant. Cependant, une propriété a été jusqu'ici insaisissable :le magnétisme. Avec des collègues de l'Université technique de Dresde, Université Aalto en Finlande, Institut Max Planck de recherche sur les polymères à Mayence et Université de Berne, Les chercheurs de l'Empa ont maintenant réussi à construire un nanographene aux propriétés magnétiques qui pourrait être un élément décisif pour le fonctionnement de l'électronique à base de spin à température ambiante.

Le graphène n'est constitué que d'atomes de carbone, mais le magnétisme est une propriété à peine associée au carbone. Alors, comment est-il possible que les nanomatériaux de carbone présentent du magnétisme ? Pour comprendre cela, nous devons faire un voyage dans le monde de la chimie et de la physique atomique.

Les atomes de carbone du graphène sont disposés dans une structure en nid d'abeille. Chaque atome de carbone a trois voisins, avec laquelle il forme des liaisons simples ou doubles alternées. En un seul lien, un électron de chaque atome - un électron dit de valence - se lie avec son voisin; tandis que dans une double liaison, deux électrons de chaque atome participent. Cette représentation alternée de liaisons simples et doubles des composés organiques est connue sous le nom de structure de Kekulé, du nom du chimiste allemand August Kekulé qui a le premier proposé cette représentation pour l'un des composés organiques les plus simples, benzène (figure 1). La règle ici est que les paires d'électrons habitant la même orbitale doivent différer dans leur sens de rotation - le soi-disant spin - une conséquence du principe d'exclusion de la mécanique quantique de Pauli.

"Toutefois, dans certaines structures constituées d'hexagones, on ne peut jamais dessiner des motifs de liaison simple et double qui satisfont aux exigences de liaison de chaque atome de carbone. En conséquence, dans de telles structures, un ou plusieurs électrons sont contraints de rester non appariés et ne peuvent pas former de liaison, " explique Shantanu Mishra, qui recherche de nouveaux nanographenes dans le laboratoire de l'Empa nanotech@surfaces dirigé par Roman Fasel. Ce phénomène de désappariement involontaire des électrons est appelé « frustration topologique » (Figure 1).

Mais qu'est-ce que cela a à voir avec le magnétisme ? La réponse réside dans les "spins" des électrons. La rotation d'un électron autour de son propre axe provoque un minuscule champ magnétique, un moment magnétique. Si, comme d'habitude, il y a deux électrons avec des spins opposés dans une orbitale d'un atome, ces champs magnétiques s'annulent. Si, cependant, un électron est seul dans son orbitale, le moment magnétique demeure et un champ magnétique mesurable en résulte.

Cela seul est fascinant. Mais pour pouvoir utiliser le spin des électrons comme éléments de circuit, une étape de plus est nécessaire. Une réponse pourrait être une structure qui ressemble à un nœud papillon sous un microscope à effet tunnel (Figure 2).

Deux électrons frustrés dans une molécule

Dans les années 1970, le chimiste tchèque Erich Clar, un éminent expert dans le domaine de la chimie du nanographene, a prédit une structure semblable à un nœud papillon connue sous le nom de « gobelet de Clar » (Figure 1). Il se compose de deux moitiés symétriques et est construit de telle manière qu'un électron dans chacune des moitiés doit rester topologiquement frustré. Cependant, puisque les deux électrons sont connectés via la structure, ils sont couplés antiferromagnétiquement, c'est-à-dire leurs spins s'orientent nécessairement dans des directions opposées.

Dans son état antiferromagnétique, Le gobelet de Clar pourrait agir comme une porte logique « PAS » :si le sens de la rotation à l'entrée est inversé, le spin de sortie doit également être forcé de tourner.

Cependant, il est également possible de mettre la structure dans un état ferromagnétique, où les deux spins s'orientent dans la même direction. Pour faire ça, la structure doit être excitée avec une certaine énergie, l'énergie dite de couplage d'échange, de sorte que l'un des électrons inverse son spin.

Pour que la grille reste stable dans son état antiferromagnétique, cependant, il ne doit pas passer spontanément à l'état ferromagnétique. Pour que cela soit possible, l'énergie de couplage d'échange doit être supérieure à la dissipation d'énergie lorsque le portail est actionné à température ambiante. Il s'agit d'une condition préalable essentielle pour garantir qu'un futur circuit de spintronique à base de nanographenes puisse fonctionner sans défaut à température ambiante.

De la théorie à la réalité

Jusque là, cependant, les nanostructures magnétiques de carbone stables à température ambiante n'ont été que des constructions théoriques. Pour la première fois, les chercheurs ont maintenant réussi à produire une telle structure dans la pratique, et a montré que la théorie correspond à la réalité. "Réaliser que la structure est exigeante, le gobelet de Clar étant très réactif, et la synthèse est complexe, " explique Mishra. Partant d'une molécule précurseur, les chercheurs ont pu réaliser le gobelet de Clar sous ultravide sur une surface d'or, et démontrer expérimentalement que la molécule a exactement les propriétés prédites.

Surtout, ils ont pu montrer que l'énergie de couplage d'échange dans le gobelet de Clar est relativement élevée à 23 meV (Figure 2), impliquant que les opérations logiques basées sur le spin pourraient donc être stables à température ambiante. "Il s'agit d'un petit mais important pas vers la spintronique, " dit Roman Fasel.