Peut-on écrire et lire une information quantique portée par le spin de molécules magnétiques, adsorbées sur une surface ? De nombreuses expériences tentent de répondre à cette question mais elles se heurtent à l'immense variété des combinaisons molécule-surface. La modélisation s'avère en réalité indispensable pour guider les expérimentateurs vers les dispositifs les plus prometteurs.

C'est la démarche retenue par des spécialistes de modélisation atomistique de l'Iramis et leurs partenaires du projet européen COSMICS (voir encadré ci-dessous).

Ils ont étudié une molécule jouant un rôle primordial dans le transport de l'oxygène de l'hémoglobine : la porphyrine de fer tétraphényl (FeTPP). Ses propriétés exceptionnelles sont liées à l'état magnétique de son atome de fer central et à sa sensibilité à l'environnement, notamment via le « mélange » des orbitales électroniques de l'atome de fer avec celles des atomes de la surface (aussi appelé hybridation).

Plus précisément, les scientifiques ont modélisé, par des méthodes issues de la « théorie de la fonctionnelle de la densité » (DFT), une molécule de FeTPP adsorbée sur du graphène dopé à l'azote ou au bore, lui-même déposé sur une grille polarisable.

• La molécule de FeTPP adsorbée sur un site azote ne subit qu'un léger décalage de ses niveaux électroniques.
• En revanche, quand elle est placée au-dessus d'un atome de bore, le spin de la molécule passe de 1 à 3/2 et le fer passe d'un degré d'oxydation Fe²⁺ à Fe³⁺. De plus, l'atome de bore sous-jacent voit sa polarisation magnétique fortement augmentée.
• Quand on applique une tension de grille négative sous le plan de graphène, le spin de la molécule repasse de 3/2 à 1 et la polarisation magnétique du bore disparaît.

Ainsi, les scientifiques disposent d'un mécanisme d'écriture d'un spin moléculaire unique.

Qu'en est-il de la lecture ? Les chercheurs montrent que la polarisation magnétique liée au spin moléculaire de FeTPP peut être déterminée par une simple mesure électrique. Il est donc possible à la fois d'écrire et de lire ce spin. L'état de la molécule peut également être sondé à l'aide d'une pointe de microscope à effet tunnel. 

Le système modélisé est donc fonctionnel et peut être actionné par une polarisation électrique, beaucoup moins coûteuse en énergie que l'application d'un champ magnétique ou d'un courant électrique intense.