Transistor supraconducteur à une molécule
C.B. Winkelmann, N. Roch, W. Wernsdorfer, V. Bouchiat, and F. Balestro
Dans un travail expérimental qui vient de paraître dans la revue Nature Physics, des chercheurs de l’Institut Néel à Grenoble (CNRS, Université Joseph Fourier et Grenoble INP) démontrent pour la première fois la possibilité de transporter et de contrôler, par une tension électrostatique appliquée sur une grille, un courant supraconducteur à travers une molécule unique [1].
L’émergence récente du domaine de l’électronique moléculaire permet désormais d’intégrer directement dans un circuit des objets moléculaires. Par exemple, en insérant des molécules dans une fissure nanométrique qui sectionne un fil métallique, on peut créer un pont moléculaire pour la conduction électronique [2]. Le champ électrostatique environnant (la grille) permet de faire défiler les différents niveaux énergétiques de la molécule, ce qui rend le transistor moléculaire passant ou bloqué. Par manipulation chimique de la taille, ainsi que des propriétés optiques, électroniques ou magnétiques de ces jonctions moléculaires, une variété immense de nouvelles fonctionnalités peut ainsi être obtenue. Le transistor à molécule unique souffre néanmoins d’un inconvénient inhérent : les lois de la mécanique quantique imposent pour un unique canal de conduction une résistance minimum très élevée - de l’ordre de 13 kOhm – même dans l’état passant, autant dire des pertes par effet Joule prohibitives en pratique. Une solution pour contourner cette contrainte semble être la supraconductivité. L’appariement des électrons de conduction en paires de Cooper permet une propagation sans chocs et donc sans résistance. D’où l’idée de coupler le pont moléculaire à des électrodes supraconductrices.
Figure 1 : Gauche : Schéma de principe de la jonction moléculaire supraconductrice. Droite : Résistance différentielle d'une jonction supraconductrice à une molecule en fonction de la grille électrostatique et du courant. Pour des courants inférieurs à une certaine valeur critique (qui se manifeste par les deux crêtes symètriques ci-dessus) la résistance chute drastiquement. L’amplitude du courant critique peut être ajustée par la grille.
Les expériences, effectuées à très basse température (T=0.03 K) sur des molécules de C60 (molécule de 60 atomes de carbone arrangés sur les sommets d’un ballon de football) contactées entre des électrodes supraconductrices, montrent tout d’abord que tout dépend de la force du couplage électronique entre les électrodes et la molécule, c’est-à-dire l’ancrage électronique du pont moléculaire. Pour un couplage suffisamment fort, les paires électroniques de Cooper peuvent traverser la jonction moléculaire sans se briser et perdre leur cohérence, ce qui se traduit par l’observation d’un supercourant (courant Josephson). L’amplitude de ce supercourant est très sensible à la résistance dans l’état normal de la jonction, que l’on ajuste précisément par la grille électrostatique. D’où la dénomination pour ce système du premier transistor Josephson à molécule unique.
Ce travail expérimental démontre la faisabilité d’un transistor supraconducteur à une molécule. Les résultats obtenus avec des molécules de C60, connues pour leur robustesse et simplicité, ouvre la voie aux prochaines étapes qui pourront s’intéresser au couplage du supercourant à des molécules plus complexes, et notamment magnétiques [3], en vue de futures applications, au-delà de l’électronique moléculaire, dans la spintronique moléculaire.
[1] C.B. Winkelmann, N. Roch, W. Wernsdorfer, V. Bouchiat, and F. Balestro, Nature Phys. (2009). Publié en ligne le 25 Octobre, doi:10.1038/nphys1433.
[2] Park et al., Nature 407, 57 (2000).
[3] Grose et al., Nature Mater. 7, 884 (2008).