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L’isotopie et la dilution, des outils pour optimiser le magnétisme de molécules aimants

L'électronique, et plus particulièrement l'électronique moléculaire, ne s'intéresse qu'aux propriétés électroniques des atomes. Un groupe de recherche de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1/INSA/ENSCR) vient de montrer que les noyaux, et plus particulièrement le moment magnétique de ces derniers peuvent avoir une influence importante sur la mémoire magnétique de molécules. En jouant sur la dilution des molécules et sur le noyau des atomes (enrichissement isotopique), les chercheurs ont montré que la mémoire d’une molécule pouvait être modulée, renforcée ou au contraire annihilée. Ces travaux font la couverture de la revue Angewante Chemie International Edition.

Le complexe de dysprosium élaboré par l’équipe (Figure 1) [1] présente un comportement de molécule aimant à 4 Kelvin. L’effet mémoire magnétique de cette molécule aimant repose sur sa capacité à bloquer son aimantation suivant une orientation donnée. Ainsi pour une même valeur de champ magnétique, deux valeurs d’aimantation différentes peuvent être observées (bistabilité magnétique). On remarque par exemple sur la courbe bleue de la figure 2 que pour un champ magnétique de 2 kOe, l’aimantation peut valoir soit 0.8, soit 0.6. Ces deux états permettent l’adressage et le stockage d’un bit d’information 0 ou 1.

Cependant, cette bistabilité magnétique disparait si le champ magnétique appliqué à la molécule est nul (l’hystérèse, qui caractérise la dépendance en champ de la bistabilité, est fermée en champ nul). Ce phénomène est illustré sur la figure 2 où l’on distingue, sur la courbe en bleu, que zéro est la seule valeur que peut prendre l’aimantation lorsque le champ appliqué est nul. Autrement dit la molécule perd sa mémoire magnétique en l’absence de champ magnétique extérieur ce qui limite ses applications.

Pour tenter de conserver cette bistabilité même lorsque le champ magnétique est coupé, les chercheurs ont eu tout d’abord l’idée d’isoler l’objet de toute perturbation magnétique en éloignant les molécules-aimants les unes des autres au sein d’un même cristal. Ainsi, une molécule n’est plus soumise aux champs magnétiques crées par ses voisines.
Ils ont ensuite synthétisé la même molécule en remplaçant les noyaux atomiques magnétiques (161Dy) par des isotopes (164Dy) non-magnétiques. Lorsque le noyau est magnétique (161Dy), l’hystérèse est fermée en champ nul (courbe bleue) alors qu’elle est ouverte lorsque le noyau est non-magnétique (164Dy, spin nucléaire nul, courbe rouge). Ces résultats montrent qu’en jouant sur le magnétisme des noyaux par substitution isotopique, il est possible de moduler les propriétés magnétiques des molécules et de conserver par exemple la bistabilité magnétique sans champ magnétique appliqué, ouvrant une nouvelle voie de recherche en électronique moléculaire.

cador

Figure 1 : illustration de l’effet d’un enrichissement isotopique sur l’effet mémoire d’une molécule aimant.

Figure 2 : magnétisme de la molécule en fonction du champ magnétique appliqué pour l’isotope 164Dy (rouge, noyau non magnétique) et l’isotope 161Dy (bleu, noyau magnétique).

[1] http://www.cnrs.fr/inc/communication/direct_labos/leguennic.htm

Référence

Fabrice Pointillart, Kevin Bernot, Stéphane Golhen, Boris Le Guennic, Thierry Guizouarn, Lahcène Ouahab et Olivier Cador

Magnetic memory in an isotopically-enriched and magnetically-isolated mononuclear dysprosium complex

Angewandte Chemie International Edition 8 décembre 2014
DOI: 10.1002/anie.201409887

Contact chercheur

Olivier Cador, Institut des sciences chimiques de Rennes
Courriel : olivier.cador@univ-rennes1.fr
Tél. : 02 23 23 57 12

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken