Two-Dimensional Organic Crystals with High Spin-Orbit Interaction – ORGANI’SO

La génération de nouveaux dispositifs, fondés sur des effets classiques ou quantiques, en contrôlant leur symétrie spatiale ou temporelle est un concept très générique et prometteur.
Depuis quelques années, les matériaux cristallins possédant un couplage spin-orbite suffisant sont particulièrement étudiés car il est possible de manipuler la topologie de leur structure électronique en choisissant leur symétrie. Les isolants topologiques (TIs) sont des exemples de ce type de nouveaux matériaux. Les TIs sont des matériaux qui sont isolants dans leur massif mais conducteurs sur leurs bords. Le couplage spin-orbite est assumé par la présence d’éléments possédant un numéro atomique élevé. La majorité des TIs étaient identifiés préalablement comme des matériaux thermoélectriques (TEs). Ces matériaux sont des briques de base idéales pour créer des dispositifs en spintronique, en micro-électronique, en métrologie et en thermoélectricité. Ainsi, les questions relatives à leur production à large échelle, à leurs coûts de production, à leur recyclage et à leur éco-compatibilité deviennent des défis importants. Or, les TIs actuels sont tous des matériaux inorganiques constitués par des éléments toxiques ou rares. Notre projet consiste à développer les premiers isolants topologiques organiques (OTIs) qui bénéficieront des avantages liés à l’utilisation des polymères (versatilité, production à bas coût, faible toxicité et bonne éco-compatibilité) tout en étant intégrables dans des dispositifs. Nos objectifs sont d’une part de démontrer que des polymères peuvent être une classe d’isolants topologiques et d’autre part de démontrer les preuves de concept pour réaliser des dispositifs électroniques ou thermoélectriques avec ces matériaux. L’étude de l’effet Hall quantique de spin grâce à l’imagerie de spin en haute résolution est également un objectif.
La stratégie adoptée pour mener à terme ce projet est fortement interdisciplinaire car elle allie les sciences des matériaux, la physique des surfaces, l’électronique, la simulation numérique et la physique. Le consortium réunit des chercheurs issus de trois laboratoires de recherche académiques réputés, qui apportent des expertises et des compétences complémentaires. L’institut FEMTO-ST effectuera la chimie de synthèse. L’institut Néel réalisera les études structurales et vibrationnelles, les propriétés de transport électronique et les simulations numériques. L’IPCMS conduira les expériences de microscopie champ proche à basse température et la spectroscopie polarisée en spin.

Les nouveaux réseaux covalents seront issus de voies de synthèse originales en solution conduisant à des systèmes très organisés avec des dimensions de plusieurs dizaines de nanomètres carrés. Ces feuillets seront ensuite dispersés dans des solvants pour être déposés sur des surfaces afin d’être caractérisés structurellement par microscopies ou par spectroscopies. Des expériences de microscopie à effet tunnel (STM), avec des pointes polarisées en spin ou non, permettront de faire une cartographie en très haute-résolution de la texture électronique ou de spin de ces nouveaux matériaux, et donc prouver leur nature d’isolants topologiques organiques.
La robustesse des états quantiques de bord sera sondée par des perturbations extérieures variées. Le transport électronique dans les OTIs sera étudié par des expériences en soulevant de la surface, des rubans d’OTIs par la pointe STM. Les courants thermoélectriques seront étudiés dans des dispositifs, réalisés par des techniques de nano-fabrication, et analysés à la lumière des propriétés vibrationnelles explorées par spectroscopie Raman. Les résultats expérimentaux seront confrontés aux simulations numériques (liaisons fortes ou théorie de la fonctionnelle de la densité polarisée en spin). Les interactions continues entre expérience et simulations numériques permettront une meilleure compréhension des mécanismes de formation et les propriétés physiques des OTIs.