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Interféromètre supraconducteur à nanotubes de carbone : vers la détection d’un spin unique

Un interféromètre supraconducteur est constitué par une boucle supraconductrice interrompue en deux points par deux « jonctions ». Ces interféromètres permettent de mesurer des champs magnétiques ou des courants très faibles. Dans le présent dispositif, les jonctions sont constituées par des nanotubes de carbone. Elles sont si petites que la charge induite par une grille voisine en modifie l’énergie de façon appréciable. L’interféromètre peut ainsi être ajusté par deux grilles qui modifient l’énergie des deux jonctions au même titre que l’induction magnétique qui traverse la boucle supraconductrice : cela lui confère des propriétés exceptionnelles qui ont été mises à jour dans ce travail. La sensibilité de ce dispositif permet d’envisager la détection du spin d’une molécule unique.

Dans une boucle supraconductrice, un courant permanent circule de façon à ce que le flux magnétique (Φ=courant×surface) qu’elle insère soit un multiple du quantum de flux Φ0=h/2e. En interrompant la boucle par deux jonctions, une interférence constructive se développe entre ces deux bras de l’interféromètre, si bien que le courant total à travers le dispositif atteint une valeur maximale ∝cos(πΦ/Φ0). La mesure de ce courant donne la valeur du flux Φ avec une très grande précision.
Dans l’interféromètre représenté sur cette micro-graphie, les jonctions sont constituées par des nanotubes de carbone mono-paroi (SWNT), dont le diamètre n’excède pas le nanomètre. Compte tenu de cette petite taille, l’énergie du circuit dépend non seulement du flux inséré dans la boucle (constituée par le supraconducteur et du nanotube) mais aussi des charges sur chaque nanotube. Elles peuvent être ajustées par les grilles (G1 et G2). En jouant sur ces paramètres, le nombre d’électrons sur chaque jonction peut être pair ou impair. Lorsqu’il est pair, le comportement du dispositif est celui d’un interféromètre « ultra-sensible ».
Un nanotube de carbone crée deux jonctions Josephson
Fig. 1:Deux grilles G1 et G2 module l’énergie de charge des nanotubes
Lorsque le nombre d’électrons est impair, les jonctions « nanotube » changent la phase électronique de π. D’où vient cette phase supplémentaire ? Lorsque les deux électrons formant une paire de Cooper traversent une « boîte quantique » contenant un seul spin, on doit renverser le spin de chacun des électrons pour passer par l’unique état de spin qui reste disponible. Ce renversement des spins, revient à changer le signe de la fonction d’ondes : la phase électronique acquière ainsi un phase supplémentaire de π.
Détection du moment magnétique d’une molécule unique

L’intérêt du dispositif vient du très faible diamètre des jonctions « nanotube » : si on « greffe » une molécule ayant un spin sur le nanotube, une partie des lignes de champ qu’il induit insère le nanotube et par conséquent modifie le flux magnétique inséré dans la boucle de l’interféromètre. Compte tenu de la très grande sensibilité du dispositif, il apparaît possible de détecter le spin d’une molécule unique. Ceci a de nombreuses applications dans le domaine du magnétisme moléculaire. Par ailleurs, en fonctionnalisant au préalable le nanotube de carbone, des molécules spécifiques (polluants, etc...) peuvent être détectées. Cet interféromètre qui a été mis au point, est donc un puissant outil pour l’étude des nano-particules.

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