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Observation d’une transition de phase quantique dans un transistor à l’échelle moléculaire

   Généralement, plus les dimensions d’un objet sont petites, plus les effets quantiques deviennent dominants et aisément mesurables. Les boîtes quantiques de dimensions nanométriques sont ainsi des dispositifs propices à l’observation de nouveaux phénomènes quantiques associés à l’électronique de spin. Ces boîtes, se comportent comme des atomes artificiels et sont contrôlables par des paramètres extérieurs, tels que le champ magnétique, le potentiel électrostatique ou la lumière par exemple. En raison du confinement nanométrique des électrons, elles montrent des énergies de charge pouvant dépasser le Kelvin, permettant l’étude des phénomènes quantiques, comme le blocage de Coulomb et l’effet Kondo, sur un grand plage de paramètres accessibles aux températures cryogéniques.

 Lorsque la fonction d’ondes décrivant un grand nombre de particules soumises aux lois de la mécanique quantique peut être modifiée continûment, une transition entre deux états fondamentaux de symétrie distincte peut être induite. C’est un phénomène critique purement quantique qui révèle une physique encore peu explorée. Ce phénomène, aussi connu sous le nom de transition de phase quantique diffère fondamentalement des transitions de phase classiques, comme la transition liquide-gaz ou l’apparition du ferromagnétisme, pour lesquelles les fluctuations thermiques jouent un rôle majeur. Un paramètre de contrôle extérieur, comme le champ magnétique ou un couplage électrostatique par exemple, devient nécessaire pour basculer le système dans un état dont le désordre est induit par les fluctuations quantiques de point zéro.



Image AFM du transistor moléculaire. Un dessin de principe (zoom X100) montre la molécule C60 insérée.
 Dans la réalité, l’observation d’un tel phénomène se fait toujours à température faible, mais non nulle, et l’on doit se contenter d’observer les rémanences du point singulier de température nulle. Si cet effet est habituellement associé à des objets de taille macroscopique, une réalisation à l’échelle nanométrique est possible, en combinant les états quantiques d’une molécule magnétique aux électrons du circuit de connection. Nous avons montré qu’un tel transistor moléculaire à base de fullerène est capable d’être controlé électrostatiquement entre deux états de spin différents, associés à des comportements résistifs distincts du nanocircuit. Dans ce cas, l’état aimanté est associé à une intrication du spin de la molécule et des électrons de conduction. Un couplage électrostatique induit la transition d’un état de spin égal à zéro à un état de spin ½, le point critique quantique étant alors caractérisé par un spin ½ non-intriqué aux électrons de conduction. En plus du fort intérêt porté actuellement à cette physique, ces résultats expérimentaux offrent de nouvelles potentialités pour le contrôle et la manipulation d’états en spintronique moléculaire.




Conductance différentielle en fonction de la tension appliquée Vb et de la tension de grille Vg : on mesure très clairement la transition induite par la grille entre deux états fondamentaux de symétries différentes, un état singulet et un état triplet sous écranté.

Contact : Franck Balestro

franck.balestro@grenoble.cnrs.fr
Tél : 04 76 88 79 15


Pour en savoir plus :

« Quantum phase transition in a single-molecule quantum dot », Nicolas Roch, Serge Florens, Vincent Bouchiat, Wolfgang Wernsdorfer & Franck Balestro, Nature à paraître.



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