Projet ANR-13-BS10-0001 – MolQuSpin : Spintronique moléculaire quantique
Programme : Blanc - SIMI 10 - Nanosciences (Blanc SIMI 10) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Wolfgang WERNSDORFER (Institut Néel)
Partenaires : Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay; Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg; Institut Neel
Montant : 618812.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : L'électronique moléculaire, l'électronique de spin et le calcul quantique sont trois domaines majeurs de la nanoscience moderne. Le premier domaine a utilisé depuis plusieurs années des molécules afin de réaliser des dispositifs à molécule unique pour des applications potentielles en électronique. Le deuxième a été à l'origine d'une révolution en électronique où il était possible de manipuler le transport du spin électronique aboutissant à des effets gigantesques de magnéto-résistance. Enfin, le calcul quantique cherche à utiliser les propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. L'objectif de ce projet est de marier les trois domaines pour faire émerger un nouveau : Electronique de Spin Moléculaire Quantique en utilisant entre autres des aimants moléculaires [1] comme composant de base des nouveaux dispositifs. Il s'agit de manipuler le spin et la charge d'une molécule unique ou d'une faible collection dans des dispositifs moléculaires. Un grand avantage des systèmes moléculaires est la faible contribution du couplage spin-orbite et des interactions hyperfines qui, en général, sont la cause principale de la décohérence du spin observée en transport à longue distance. 
Dans ce contexte, ce projet permet de jeter les fondations d'un domaine émergeant qui n'est pratiquement pas exploré à ce jour. Les objectifs principaux du projet concernent essentiellement la recherche fondamentale mais avec des applications en électronique et information quantique à moyen terme. Les partenaires du projet ont construit durant les 10 dernières années une expertise internationalement reconnue en magnétisme moléculaire à travers des collaborations dans le monde entier.
Durant la dernière année, les partenaires ont déjà démontré les premiers résultats importants dans ce nouveau domaine [2-4]. Par exemple, nous avons fabriqué des vannes de spin uniquement à partir de matériaux moléculaires [2]. Un canal conducteur constitué d'un nanotube de carbone mono-paroi et contacté par des électrodes non-magnétiques est couplé latéralement à deux aimants moléculaires, ces derniers jouant le rôle de moments magnétiques localisés. La conductance à travers le nanotube peut être modulée grâce à l'application d'un champ magnétique externe, l'amplitude de la magnétoresistance pouvant atteindre 300% entre l'état où l'aimantation des molécules est complètement polarisée et celui où elle ne l'est pas. 
En utilisant un transistor à spin moléculaire, nous avons réalisé la lecture électronique d'un spin nucléaire individuel [3]. Nous avons pu montrer une durée de vie de plusieurs dizaines de secondes. Nous avons également fourni la première preuve expérimentale d'un fort couplage spin-phonon entre le spin d'une seule molécule et un résonateur à nanotube de carbone [4]. Nos résultats ouvrent des perspectives pour les dispositifs en électronique de spin avec de nouvelles propriétés quantiques, ce qui est l'objectif principal de ce projet. 
La tâche 1 concerne la synthèse, la caractérisation et le dépôt des molécules (conception de qubits doubles complexes moléculaires, caractérisation des propriétés physiques des nano-aimants moléculaires déposés sur une surface). La tâche t centrée sur la fabrication et la caractérisation des dispositifs moléculaires (spin-moléculaire transistor, vanne de spin moléculaire, résonateurs moléculaires hybrides, développement des bobines RF pour le contrôle de spin et de charge des dispositifs). La tâche 3 traite de la manipulation quantique des états de spin moléculaire (des opérations quantiques de base  avec un qubit et avec deux qubits couplés).
[1] L. Bogani, W. Wernsdorfer, Nature Mat. 7, 179 (2008). 
[2] M. Urdampilleta, S. Klyatskaya, M.-P. Cleuziou, M. Ruben, W. Wernsdorfer, Nature Mater. 10, 502-506 (2011).
[3] R. Vincent, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer, F. Balestro, Nature 488, 357 (2012).
[4] M. Ganzhorn, S. Klyatskaya, M. Ruben, W. Wernsdorfer, , Nature Nanotech (Feb. 2013).