Une molécule à la pointe pour cartographier le magnétisme à l’échelle atomique

L'électron possède une aimantation microscopique, son spin, qui, en l'absence de toute interaction, peut s'orienter aléatoirement dans l'espace. Au sein des atomes, les spins des électrons s’organisent, certains atomes étant magnétiques, d'autres non. De même, au sein des matériaux, les atomes s'organisent, certains matériaux par exemple à base de fer ou de cobalt se comportant alors comme des aimants. Dans de tels matériaux dits ferromagnétiques, les spins s'alignent grâce à une interaction de proximité appelée interaction d'échange. À ce jour, la microscopie à effet tunnel (STM) est la seule technique permettant de sonder le spin d'un atome unique et de cartographier les propriétés magnétiques d'une surface à l'échelle atomique. Dans un STM, un courant d'électrons passe entre une pointe sonde et la surface à étudier grâce à un effet quantique appelé effet tunnel (jonction tunnel). Il existe deux manières de visualiser la structure magnétique d'une surface. La première, connue sous le nom de STM polarisé en spin, exploite le courant tunnel d'une pointe magnétique afin de mesurer la résistance de la jonction tunnel, celle-ci variant en fonction de l’alignement des spins sur la surface par un effet de magnétorésistance. La seconde, à l'instar d'un microscope à force magnétique, exploite la déflection d’une pointe magnétique produite par l’interaction d’échange avec la surface. Les deux méthodes souffrent du faible contrôle que l'on exerce sur la structure de la pointe sonde.

Dans ce travail, les physiciens de l'Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg), en collaboration avec le laboratoire PASTEUR (CNRS/ENS Paris/Sorbonne Université) et des laboratoires étrangers dont le Peter Grünberg Institut (Jülich, Allemagne) et le Centro de Física de Materiales (Donostia-San Sebastián, Espagne), ont visualisé le contraste magnétique d'une surface à l'échelle atomique en greffant une molécule magnétique sur la pointe sonde d’un STM.

• Retrouvez l'intégralité de cet article sur le site de l'Institut de physique du CNRS.
• Lire aussi la publication complète dans Science : « Atomic-scale spin sensing with a single molecule at the apex of a scanning tunneling microscope.»