Effets inélastiques en microscopie à effet tunnel (STM)

Les travaux décrits ici sont menés en collaboration avec N.Lorente et al (DIPC, Saint-Sébastien) et S. Loth et al (Institut Max Planck, Stuttgart).

La microscopie à effet tunnel (STM, pour scanning tunneling microscopy) est un outil très utile et largement utilisé pour imager les arrangements atomiques sur des surfaces solides. Cependant, un électron se déplaçant entre la pointe du microscope et la surface peut également induire des transitions inélastiques dans les objets présents à la surface et déposer de l’énergie dans la couche de surface.

Une première série de nos études concernait l’excitation rotationnelle par tunnel d’électrons de molécules volumineuses (Cu-phtalocyanine) adsorbées sur une surface métallique. Récemment, nos études se sont concentrées sur les excitations magnétiques induites par électrons tunnel, c’est-à-dire comment le moment magnétique d’un adsorbat peut être inversé sous une pointe STM.

Les études sur la dynamique de petits objets magnétiques adsorbés sur des surfaces sont très importantes et opportunes dans le contexte de la diminution rapide de la taille des dispositifs électroniques. En effet, on peut s’attendre à ce qu’un atome ou une molécule porteur d’un moment magnétique et adsorbé à la surface soit l’ultime étape de la miniaturisation et se comporte quantitativement d’une manière différente des objets plus volumineux. A la frontière entre magnétisme classique et quantique, des questions se posent sur les qubits, les effets de décohérence, les durées de vie des excitations magnétiques, le rôle des électrons substrats…

Etats de Neel d’une chaîne de Fe antiferromagnétique

Les transitions magnétiques induites par les électrons tunnel sont associées au transfert d’énergie et de moment angulaire de l’électron à l’adsorbat magnétique. Nous avons développé une approche quantique des transitions magnétiques induites par les électrons, éventuellement liées aux études DFT, et l’appliquons à divers systèmes magnétiques (chaînes d’atomes ou de molécules) adsorbés sur les surfaces. La même approche peut être utilisée pour calculer les durées de vie des excitations magnétiques. Les transitions magnétiques peuvent être induites par un simple transfert de moment angulaire des électrons à effet tunnel vers un électron de l’adsorbat (électron spin-flip). Cependant, nos études ont révélé comment, dans les systèmes composés, les effets de corrélation, résultat d’un mélange important des configurations de spin dans l’assemblage des atomes magnétiques, peuvent induire des transitions inaccessibles par un simple retournement de spin électronique. Ces effets de corrélation sont particulièrement forts dans les systèmes antiferromagnétiques et, par exemple, dominent les transitions entre les états de Néel dans les chaînes de Fe.

Les effets de corrélation étaient également au cœur de notre interprétation de l’apparition de l’effet Kondo dans des chaînes mixtes de Fe et Mn sur des surfaces de Cu₂N / Cu (100) : l’effet Kondo est absent dans les adsorbats individuels de Fe ou de Mn mais est très puissant les chaînes FeMn_2k+1. Les couplages antiferromagnétiques dans la chaîne conduisent à un état fondamental doublement dégénéré et les transitions entre eux peuvent être induites par les électrons via les corrélations dans la chaîne, conduisant au filtrage de Kondo.

Selon la longueur de la chaîne et la température, le système se comporte de manière classique ou quantique

Dans le cas des chaînes Fe_2n antiferromagnétiques, nous montrons que les effets de décohérence provenant de collisions avec les électrons du substrat ont été à l’origine de l’observation expérimentale des états de Néel classiques au lieu de l’état fondamental quantique de la chaîne et nous avons pu définir le domaine des régions classiques et quantiques dans le plan (température, longueur de la chaîne). Dans ce système, seules les chaînes très courtes à faible T peuvent présenter un comportement quantique.

Plus récemment, nous avons commencé à étudier les skyrmions (une singularité de type vortex dans un plan ferromagnétique). Ces objets ont été proposés comme une possibilité de stockage de données magnétiques et très discutés du point de vue du magnétisme classique. Nous avons développé un modèle quantique de nano-skyrmions localisés. Notre modèle permet de découvrir les caractéristiques quantiques auxquelles on peut s’attendre dans ces systèmes, ainsi que de décrire la création / destruction de skyrmions par des électrons tunnel.