Molécules-Dispositifs

  A l'échelle macroscopique, un interrupteur électrique comprend en général une pièce métallique mobile munie d'un ressort de rappel. En basculant, cette pièce met en contact deux fils électriques. Dans le monde d'en bas, la plus petite pièce basculante possible est un atome. En 1987, Aviram avait  déjà proposé une molécule-interrupteur et nous avions tenté la première expérience de connexion électrique sur cette molécule. Au lieu d'une molécule connectée qui doit changer de forme pour laisser passer le courant, Don Eigler propose en 1993 de faire plus simple et d'utiliser un seul atome de xénon comme pièce basculante. Il contrôle alors son déplacement en appliquant une tension de quelques volts entre la pointe et la surface: l'atome va et vient sous la pointe à volonté. Quand il est absent, l'intensité du courant est très faible: l'interrupteur est alors ouvert. Quand l'atome bascule sous la pointe, l'intensité du courant est multipliée par cinquante: l'interrupteur est fermé. Ce basculement étant réversible, ce dispositif est le premier interrupteur atomique au monde.

  Après avoir présenté l'émergence du concept de molécule monumentale, passons maintenant aux premières molécules-dispositifs réalisées. Il ne s'agit pas encore de machines à calculer, mais de dispositif déjà capable d'effectuer des mesures dans le monde d'en bas.

Un fil:

  La première molécule-dispositif fabriquée pour réaliser une expérience de physique est un fil moléculaire équipé de quatre pattes moléculaires. Le but de l'expérience est de mesurer la résistance électrique du fil. Les quatre pattes moléculaires sont là pour éviter que le fil ne touche la surface métallique qui est conductrice, ce qui peut créer des courants de fuite. La pointe du microscope à effet tunnel peut facilement manipuler un tel fil à pattes sur une surface métallique plane. En revanche, il n'est pas simple de prendre des contacts électriques à ses deux extrémités. C'est pour cela qu'il faut créer des terrasses sur la surface métallique formant ainsi une marche qui est donc plus élevée que le sol où est placé le fil moléculaire. Ce dernier est alors positionné perpendiculairement, à l'aide de la pointe du microscope à effet tunnel, à une de ces marches et est mis en contact avec elle: la première connexion est alors réalisée. La seconde est également réalisé mais cette fois avec la pointe du microscope elle même qui est positionnée exactement à l'extrémité opposée du fil moléculaire. La résistance électrique  entre la marche et l'extrémité du fil moléculaire est alors mesurée. On observe que cette résistance est trop élevée pour assurer le bon passage de l'électricité dans le fil moléculaire. Cependant il est possible de diviser sa résistance de contact par dix en modifiant la composition chimique du groupement chimique situé à l'extrémité du fil moléculaire.

fil moléculaire

fil moléculaire observé au microscope à effet tunnel

Un ampèremètre:

  La molécule-ampèremètre  est une autre molécule-dispositif, mais cette fois plus complexe. Elle est capable de mesurer l'intensité d'un courant passant, par exemple, dans un fil moléculaire. Cette molécule doit être connectée à une électrode métallique à chaque extrémité. Le principe est le suivant: un courant électrique traverse la branche principale, le long de laquelle a été incorporé un petit groupement chimique rotatif. Quand un électron est transféré d'une électrode à l'autre à travers la molécule, une infime quantité  est toujours dissipée dans le fil moléculaire. Cela suffit à échauffer progressivement le groupement rotatif et a modifier son orientation. L'angle de rotation peut être déterminé grâce à une troisième électrode placée sur le côté. L'expérimentateur déduit de la mesure de l'angle de rotation l'intensité du courant électrique qui passe dans la branche moléculaire principale.

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