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Des nanorésonateurs en anneau pour les ondes électroniques

8 février 2013

électrons, Quantique, IPCMS - UMR 7504, résonateur

Des chimistes et des physiciens ont synthétisé des anneaux nanométriques conduisant le courant électrique. Ces anneaux se comportent comme des résonateurs quantiques pour les électrons, qui eux-mêmes se comportent alors comme des ondes délocalisées le long des anneaux.

L’étude de la transmission du courant électrique par des nanofils ou nanorubans est actuellement un domaine extrêmement actif. Pour la première fois, des physiciens et chimistes de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg - IPCMS (CNRS / Université de Strasbourg) et du laboratoire de chimie des polymères (CNRS / UPMC) ont synthétisé des anneaux de nanofils dans lesquels l’onde quantique électronique est totalement délocalisée. Les mesures énergétiques et la visualisation de ces ondes par microscopie par effet tunnel (STM) ont montré que ces anneaux se comportent comme des résonateurs. En analysant les résonances de manière détaillée, les chercheurs ont montré que la modélisation de la longue molécule par un fil est insuffisante. Cette dernière est un ruban aplati, et les résonances électroniques sont semblables aux «modes de galerie», une structure de modes bien connue pour les ondes acoustiques ou optiques, mais qui n’avait pas encore été observée avec des ondes électroniques. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

En collaboration avec un chimiste du Laboratoire de chimie des polymères, l’équipe de Strasbourg a synthétisé sur une surface d’or, des fils et des anneaux nanométriques de polymères de type polythiophène, c’est-à-dire constitués d’une succession de cycles composés de quatre atomes de carbone et d’un atome de soufre. Comme dans le benzène, les orbitales apportées par les liaisons doubles du carbone et l’un des doublets de l’atome de soufre sont délocalisées et forment un cycle aromatique. Dans le polymère, ces orbitales composant le cycle aromatique sont en fait délocalisées sur toute la molécule, réalisant pour les électrons un ruban conducteur. Les scientifiques ont alors cherché et étudié les résonances de l’onde électronique dans des fils et des anneaux de longueur donnée. Les résultats montrent que la longueur effective de l’anneau dépend de l’énergie de l’orbitale considérée. Cela se comprend bien si l’on considère que la molécule est en fait un ruban et non un fil: sous l’effet de la force centrifuge, d’autant plus grande que l’énergie est importante, l’électron est repoussé vers le bord externe de la structure. La mesure de la répartition spatiale de la fonction d’onde à l’aide d’un microscope à effet tunnel vient confirmer ce résultat. Cette localisation de l’onde sur le périmètre d’un disque est tout-à-fait analogue à la localisation des «ondes de galerie» sonores sur la face intérieure du dôme de certains édifices tels que la cathédrale de St Paul à Londres. Dans le cas présent, c’est un avantage pour la suite des travaux des chercheurs: situées sur le périmètre des anneaux, ces ondes seront plus faciles à coupler entre elles.