Lorsque le spin devient déterminant
Les nanorubans de graphène: tout dépend des bords
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Un plan parfait
«Nature» rapporte comment l’équipe de l’Empa, sous la direction de Roman Fasel, est parvenue à ce résultat en collaboration avec des collègues de l’Institut Max-Planck de recherche sur les polymères de Mayence, sous la direction de Klaus Müllen ainsi que de Xinliang Feng, de l’Université technique de Dresde. A partir de molécules de carbone appropriées et d’un processus de production perfectionné, ils ont synthétisé des nanorubans de graphène, possédant des bords en forme de zigzags parfaits qui présentent une géométrie bien précise sur la longueur de l’axe longitudinal du ruban. Un pas important, car c’est la géométrie et surtout la structure des bords qui permettent aux chercheurs de conférer diverses propriétés aux nanorubans de graphène.
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Comme pour la pose d’un carrelage, il faut tout d’abord déterminer le «motif» du nanoruban graphène en zigzag par le choix des «carreaux» appropriés, autrement dit des molécules précurseurs adéquates. Contrairement à la chimie organique où lors de la synthèse d’une substance pure on s’accommode de la présence de produits accessoires, il faut pour la synthèse des nanorubans de graphène sur une surface métallique mettre tout en place de manière qu’il ne se forme qu’un seul produit. Les scientifiques ont alternés simulations sur ordinateur et expérimentations pour développer la meilleure voie de synthèse. Avec des molécules en forme de U qu’ils ont laissées s’assembler en une ligne ondulée et l’intégration de groupes méthyle pour perfectionner la forme des bords en zigzag, ils ont finalement établi un «plan» pour la synthèse de nanorubans de graphène possédant des bords en zigzag parfaits. Les chercheurs ont vérifié la précision à un atome près des bords en zigzag ainsi obtenus à l’aide d’un microscope à force atomique. Ils sont aussi parvenus à caractériser les états électroniques des bords en zigzag au moyen de la spectroscopie tunnel à balayage.
Utiliser le sens de rotation interne des électrons
Ces états électroniques présentent une particularité prometteuse. Les électrons peuvent tourner sur eux-mêmes à gauche ou à droite, on parle alors du sens de rotation interne («spin») des électrons. Les caractéristiques spécifiques des nanorubans de graphène en zigzag : les spins des électrons s’orientent toujours de la même manière le long des deux bords ; il s’agit d’un effet appelé couplage ferromagnétique. Un couplage antiferromagnétique agissant simultanément fait en même temps que les spins des électrons des bords opposés s’orientent de manière inverse. Sur un bord de la bande, les électrons se trouvent en état « spin-up », sur l’autre en état « spin-down ».
Il en résulte ainsi deux canaux de spin indépendants avec des «sens de marche» différents l’un de l’autre le long des bords du ruban, comme sur une autoroute avec des voies de circulations séparées. Avec l’inclusion de défauts structuraux précis sur les bords ou – plus élégamment – avec des signaux électriques, magnétiques ou optiques extérieurs, il devrait devenir possible de développer des barrières ou des filtres à spin qui ne demandent de l’énergie que pour leur commutation – un premier pas vers la réalisation d’un nanotransistor présentant une efficience énergétique extrêmement élevée.
Ces possibilités rendent les nanorubans de graphène particulièrement intéressants pour des applications et composants spintroniques qui utilisent aussi bien la charge que le spin des électrons. Une combinaison que les chercheurs espèrent voir déboucher sur des composants entièrement nouveaux, tels que des mémoires magnétiques adressables qui puissent conserver les informations stockées même après l’arrêt de l’alimentation électrique.
Ce travail a été soutenu par le Fonds national suisse (FNS), le Conseil européen de la recherche (CER) et l’Office of Naval Research des USA (ONR).
On-surface synthesis of graphene nanoribbons with zigzag edge topology, P Ruffieux, S Wang, B Yang, C Sanchez, J Liu, T Dienel, L Talirz, P Shinde, CA Pignedoli, D Passerone, T Dumslaff, X Feng, K Müllen, R Fasel, Nature 531, pp. 489–492 (2016), doi: 10.1038/nature17151
En collaboration avec des chercheurs de l’université de Bâle et d’autres collègues internationaux, les scientifiques de l’Empa ont récemment étudié les propriétés tribologiques des nanorubans de graphène. Dans un article publié dans la revue scientifique «Science», ces chercheurs rapportent les résultats de leurs expériences sur les interactions entre des rubans de graphène tirés sur une surface d’or avec la pointe d’un microscope à force atomique. Avec ces expériences et des simulations sur ordinateur, ces chercheurs ont pu prouver que des mouvements de flottaison, quasiment exempts de frottements, pouvaient se produire. La raison de cette absence de frottement («superlubricity»): les deux grilles atomiques de la surface cristalline de l’or et du graphène sont totalement non congruentes; en aucun endroit de ce «paysage atomique de monts et de vallées» il ne peut se produire un engrenage entre ces surfaces.
Superlubricity of Graphene Nanoribbons on Gold Surfaces, S Kawai, A Benassi, E Gnecco, H Söde, R Pawlak, X Feng, K Müllen, D Passerone, CA Pignedoli, P Ruffieux, R Fasel, E Meyer, Science 351 (6276), pp. 957-961 (2016), doi: 10.1126/science.aad3569
Press release from the University of Basel here.
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