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Quand l’anisotropie magnétique des molécules dévoile ses formes aux neutrons

Quand l’anisotropie magnétique des molécules dévoile ses formes aux neutrons

Des chercheurs du Laboratoire des multimatériaux et interfaces (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1) et du Laboratoire Léon Brillouin (CNRS / CEA-Saclay), en collaboration avec l’Institut nanosciences et cryogénie (CEA-Grenoble) et les Universités de Yamagata et Kwansai Gakuin (Japon), ont utilisé la diffraction des neutrons polarisés pour déterminer pour la première fois comment se comportent des molécules de complexes métalliques dans un champ magnétique (anisotropie magnétique). Ces résultats qui ouvrent de nouvelles perspectives pour l’optimisation des molécules-aimants ont été publiés dans la revue Chemistry – A European Journal et Angewandte Chemie.

Placés dans un champ magnétique, certains composés à base d’ions métalliques magnétiques acquièrent une aimantation rémanente(*). Cette propriété confère à ces molécules un comportement analogue à celui des aimants que l’on désigne par « molécules-aimants ». A la différence des aimants traditionnels (métaux, alliages et oxydes), il s’agit d’un comportement moléculaire qui ouvre des perspectives originales, pour des applications en traitement quantique de l'information avec des unités-mémoire miniaturisées à l’extrême.

Pour être une molécule-aimant, la molécule doit posséder un moment magnétique (S) ainsi qu’une forte anisotropie magnétique (D), comme un aimant qui s’oriente préférentiellement dans une direction sous l’action d’un champ magnétique. Le temps pendant lequel l’aimantation rémanente des molécules-aimants persiste est d’autant plus long que (S) et (D) sont grands. Cependant, à température ambiante, ce temps reste aujourd'hui trop court pour que l’aimantation soit conservée. Ce comportement de molécule-aimant n’est alors observé que pour des températures d’une dizaine de Kelvin, trop basses pour envisager des applications. L’augmentation des températures de fonctionnement passe donc par une augmentation de l’anisotropie magnétique. Pour cela, il est essentiel de comprendre les relations existant entre l’anisotropie magnétique de la molécule, celle de chacun des ions métalliques la constituant et de la structure moléculaire.

Molécules aimants : les ellipsoïdes représentant les directions de facile aimantation. © D. Luneau (Univ. C. Bernard – Lyon1).

Dans ce but, ces chercheurs ont utilisé la diffraction de neutrons polarisés qui fournit des informations clés sur les relations magnéto-structurales et ils ont appliqué cette technique pour la première fois à l’étude de l’anisotropie magnétique de deux composés moléculaires à base de cobalt(II) : l’un avec un seul centre métallique par molécule (Figure ci-dessus) et l’autre avec deux centres (Figure ci-contre).

Dans les deux cas, la diffraction des neutrons polarisés a permis une détermination directe de l’anisotropie magnétique de la molécule. Pour le complexe 1, l’étude a clairement révélé la corrélation l’anisotropie magnétique et l’environnement de l’ion cobalt(II). Pour le complexe 2, elle a montré comment cette anisotropie magnétique des deux ions cobalt(II) déviait de celle des ions isolés sous l’effet de leur interaction. Ce type de caractérisation magnétique à l’échelle atomique n’aurait pas pu être obtenu par d’autres techniques expérimentales.

La généralisation de la méthode à d’autres systèmes moléculaires devrait contribuer à une meilleure compréhension de l’anisotropie magnétique moléculaire nécessaire à l’optimisation des molécules-aimants.

(*) C’est-à-dire qu’ils restent aimantés lorsque l’on coupe le champ magnétique.

Molécules aimants à deux centres magnétiques : les ellipsoïdes représentant les directions de facile aimantation. © D. Luneau (Univ. C. Bernard – Lyon1).

Références :

  • Polarized neutron diffraction as a tool for mapping molecular magnetic anisotropy: local susceptibility tensors in CoII complexes
    K.Ridier, B. Gillon, A. Gukasov, G. Chaboussant, A. Cousson, D. Luneau, A. Borta, J.-F. Jacquot, R. Checa, Y. Chiba, H. Sakiyama & M. Mikuriya,
    Chem. Eur. J. 22 (2015) 724.
Voir aussi :

Polarized neutron diffraction to probe local magnetic anisotropy of a low-spin Fe(III) complex,
K. Ridier, A. Mondal, C. Boilleau, O. Cador, B. Gillon, G. Chaboussant, B. Le Guennic, K. Costuas, R. Lescouëzec, Angew. Chem. 128 (2016) 4031.
Angewandte Chemie 2016-55/12

Contact CEA : Grégory Chaboussant, LLB – Groupe Interface et Matériaux

Contact CNRS : Dominique Luneau, Laboratoire des multimatériaux et interfaces – Villeurbanne

Collaboration :

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Beatrice GILLON