Transistor supraconducteur à une molécule

Dans la course à la miniaturisation et au traitement de l’information quantique, les transistors moléculaires occupent une place de choix. Ils sont constitués d’une molécule unique ce qui assure une très petite taille et donc aussi un comportement dans le domaine quantique. Hélas, cet avantage est aussi un inconvénient majeur : l’unique canal de conduction qu’offrent ces molécules au courant électrique est à l’origine d’une résistance électrique considérable et donc de pertes énergétiques prohibitives. Une solution proposée récemment pour pallier à ce problème est d’utiliser des électrodes supraconductrices : la molécule est assez petite pour que les propriétés de supraconduction la traverse sans se dégrader. C’est cette idée que des physiciens de l’Institut Néel à Grenoble (CNRS) ont réussi à mettre pour la première fois en pratique. Dans un travail publié dans la revue Nature Physics, ils démontrent pour la première fois la possibilité de transporter et de contrôler, par une tension électrostatique appliquée sur une grille, un courant supraconducteur à travers une molécule unique. Ce travail expérimental démontre la faisabilité d’un transistor supraconducteur à une molécule. Les résultats obtenus avec des molécules de C₆₀, connues pour leur robustesse et simplicité, ouvre la voie aux prochaines étapes qui pourront s’intéresser au couplage du supercourant à des molécules plus complexes, et notamment magnétiques, en vue de futures applications, au-delà de l’électronique moléculaire, dans la spintronique moléculaire.

C. Winkelmann et ses collaborateurs ont inséré une molécule de C₆₀ dans une fissure nanométrique sectionnant un fil métallique supraconducteur. Ils ont ainsi créé un pont moléculaire pour la conduction électronique. En soumettant la molécule au champ électrostatique d’une électrode de contrôle, ils ont fait défiler les différents niveaux énergétiques de la molécule, rendant ainsi le transistor moléculaire passant ou bloqué. Les expériences, effectuées à très basse température (T=0.03 K) montrent que pour un couplage suffisamment fort entre la molécule et les électrodes, les paires électroniques de Cooper (responsables des propriétés supraconductrices) peuvent traverser la jonction moléculaire sans se briser et perdre leur cohérence, ce qui se traduit par l’observation d’un supercourant (courant Josephson). L’amplitude de ce supercourant est très sensible à la résistance dans l’état normal de la jonction que l’on ajuste précisément par la grille électrostatique, d’où la dénomination pour ce système du premier transistor Josephson à molécule unique.

Figure

Gauche : Partie haute : photographie au microscope électronique à balayage de la fissure entre les deux électrodes ; Partie basse : schéma de principe de la jonction moléculaire supraconductrice. Droite : Résistance différentielle d’une jonction supraconductrice à une molécule en fonction de la grille électrostatique et du courant. Pour des courants inférieurs à une certaine valeur critique (qui se manifeste par les deux crêtes symétriques ci-dessus) la résistance chute drastiquement. L’amplitude du courant critique peut être ajustée par la grille.