Un nouveau modèle théorique explique pourquoi les molécules chirales favorisent le transport des électrons dans un état de spin par rapport à l’autre, fournissant un ajustement quantitatif aux expériences.1
De nombreux matériaux porteurs de courant ne montrent aucune polarisation vers l’état de spin des électrons qu’ils transportent, permettant aux espèces de spin-up et de spin-down de circuler en nombre égal. Mais les molécules chirales peuvent être plus discriminantes, offrant un passage plus facile à une orientation de spin qu’à son homologue.
L’effet, appelé sélectivité de spin induite par la chiralité, ou CISS, est connu depuis plusieurs années. Des expériences de 2011, par exemple, montrent un degré marqué de déséquilibre de spin lorsque le courant passe à travers un brin d’ADN attaché à une électrode en or.2
Pourquoi cela arrive-t-il? Un bon point de départ pourrait être l’effet solénoïde. Le courant en spirale à travers la structure hélicoïdale de l’ADN génère un champ magnétique le long de l’axe moléculaire, un peu comme dans une bobine de fil. Ce champ interagit avec les moments magnétiques des électrons, favorisant énergétiquement ceux qui tournent dans une certaine direction. C’est logique, mais il y a un problème. « C’est des ordres de grandeur trop petits », déclare Yonatan Dubi, théoricien à l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël. « Donc, la question est, qu’est-ce qui peut donner lieu à cela? »
La réponse de Dubi réside dans l’électrode en or et son interaction avec l’hélice d’ADN. Récemment, il a proposé le mécanisme spinterface3 (un portemanteau de spin et d’interface), dans lequel l’effet solénoïde engendre une rupture de symétrie plus large des orbitales d’électrons dans l’électrode. Le couplage spin-orbite qui en résulte entraîne un courant de spin plus important, qui à son tour réinjecte une inclinaison orbitale encore plus prononcée.
«Le mécanisme clé ici est l’interaction entre l’aimantation de surface et la différence de spin dans la molécule», déclare Dubi.
Dans l’état actuel des choses, la théorie de Dubi ne s’appliquait qu’aux molécules courtes. Maintenant, il l’a étendu pour couvrir des brins d’ADN plus longs et l’a mis en correspondance avec les expériences.2
Deux défis se présentaient, le premier découlant des expériences elles-mêmes. La mesure directe du courant de spin est extrêmement délicate, c’est pourquoi les expérimentateurs l’ont déduit indirectement, en connectant une électrode de nickel magnétisée à l’autre extrémité de la molécule d’ADN et en mesurant le courant de charge à deux aimantations différentes.
La deuxième complication est venue des vibrations thermiques dans la molécule, qui brouillent les fonctions d’onde des électrons loin de leurs états purs. «Vous ne pouvez pas utiliser la mécanique quantique cohérente pour décrire un ADN long de 40 paires de bases», déclare Dubi.
Un traitement théorique complet de cette décohérence serait extrêmement complexe, mais Dubi a pu réduire le problème à un modèle phénoménologique basé sur une poignée de paramètres. Une percée clé a été de réaliser une relation entre les courants mesurés et la conductance différentielle de la molécule, permettant à Dubi de faire correspondre sa théorie aux données expérimentales dans ce qu’il appelle un ajustement «remarquable».
Le chimiste quantique Tom Fay, basé à l’Université de Californie à Berkeley aux États-Unis, est également frappé par la congruence. « Juste en traçant des graphiques de ces deux choses, ils se ressemblent remarquablement. C’est une preuve très convaincante de ce mécanisme.
Fay s’intéresse vivement aux processus dépendants du spin et qualifie CISS de « petit problème amusant ». Mais lui et Dubi voient aussi un côté plus sérieux. La spintronique – une extension de l’électronique qui exploite le spin – est un domaine en plein essor, et les molécules capables de filtrer les spins pourraient s’avérer très polyvalentes dans leurs utilisations. Dubi répertorie la séparation des énantiomères, la magnétisation des nanoparticules sans utiliser de champs magnétiques et des dispositifs exotiques appelés memristors comme trois applications potentielles pour CISS, tandis que Fay envisage que l’effet pourrait être utilisé pour préparer des états quantiques pour le calcul quantique.
‘Si [Dubi’s work] est l’explication des effets, alors nous pouvons commencer à vraiment prédire comment [in] différentes molécules, à quel point les effets CISS seront différents», déclare Fay. « Et ensuite, nous pourrons commencer à l’affiner, peut-être commencer à en mettre une partie sous une forme utilisable pour ce type d’applications. » [But that’s] encore un peu loin.
