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RÉSUMÉ
Les molécules-aimants sont des objets obtenus par assemblage d’un ou de plusieurs ions métalliques avec des ligands organiques. Les molécules nanométriques formées sont de taille nanométrique et possèdent ainsi des propriétés magnétiques mais aussi quantiques. Ces objets originellement d’attrait purement fondamental et dont les propriétés étaient confinées à basses températures, montrent désormais des propriétés magnétiques à la température de l’azote liquide. Cet article détaille les récentes avancées dans ce domaine, ainsi que dans les différents champs d’applications connexes où ces molécules peuvent être utilisées (électronique de spin et calcul quantique notamment).
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Kevin BERNOT : Maître de conférences, Univ. Rennes, INSA Rennes, CNRS UMR 6226 « Institut des Sciences Chimiques de Rennes » F-35000 Rennes, France
INTRODUCTION
Les aimants moléculaires sont des composés qui, de par leur taille et leur organisation atomique, présentent des propriétés magnétiques non conventionnelles. Ils offrent ainsi de nouvelles perspectives pour la création de matériaux magnétiques à très haute densité de stockage. Leurs propriétés sont aussi utilisées dans de nombreux domaines connexes tels que l’électronique de spin, le calcul quantique et la réfrigération magnétique par exemple.
Contrairement aux aimants massifs, les aimants moléculaires sont par nature des objets obtenus par des techniques de chimie de synthèse en solution : principalement par chimie de coordination, chimie solvothermale et chimie organométallique. Ils sont ainsi très facilement modifiables, manipulables et optimisables, permettant la création de toute une librairie de molécules.
Les aimants moléculaires font partie d’un domaine d’étude plus vaste : le magnétisme moléculaire. Dans le cadre de cet article, nous ne pourrons en détailler tous les objets et principes, et nous nous limiterons volontairement à la notion de molécule-aimant isolée ou Single-Molecule Magnet (SMM).
L’objectif de cet article est de donner à l’ingénieur, sans pour autant prétendre à l’exhaustivité, les notions clés pour appréhender le concept de molécule-aimant et lui permettre d’anticiper une veille technologique sur le sujet. En effet, si l’étude des molécules-aimants reste fondamentale, les spectaculaires avancées depuis 2017 laissent espérer un virage vers le domaine applicatif dans un avenir proche.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles utilisés.
Domaine : Matériaux magnétiques, matériaux pour la spintronique, chimie de coordination
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : magnétisme, magnétocalorique, électronique de spin (spintronique), calcul quantique
Domaines d’application : Stockage de l’information, ordinateur quantique
Principaux acteurs français :
– Communauté française regroupée au sein du groupement de recherche du CNRS « magnétisme et commutation moléculaires » (GdR MCM2 – http://www.gdr-mcm2.cnrs.fr/)
Autres acteurs dans le monde : Acteurs européens regroupés au sein du programme COST MolSpin de la communauté européenne (European Cooperation in Science and Technology)
(COST MOLSpin – http://www.icmol.es/molspin/stsms.php?menu=mobility)
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Conclusion
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8. Autres débouchés et applications des molécules-aimants
8.1 Spintronique
La nature magnétique et quantique des molécules-aimants leur offre de nombreuses perspectives dans des domaines connexes au magnétisme moléculaire.
Dès 2008, les molécules-aimants ont été proposées comme des molécules de choix pour le développement de la spintronique ou électronique de spin. La spintronique consiste en l’étude et la fabrication de dispositifs utilisant la charge de l’électron, mais aussi son spin, pour fonctionner. Ainsi, un flux d’électron est composé de porteurs de spin up et spin down qui, non seulement véhiculent une information magnétique, mais interagissent différemment avec des matériaux magnétiques. Ce codage de l’information dans le spin rappelle donc les propriétés de base des molécules-aimants qui via leur spin géant emmagasinent également une information magnétique. Des molécules-aimants ont été utilisées dans le domaine de la spintronique, créant ainsi un nouveau domaine de recherche nommé la spintronique moléculaire.
De façon surprenante, la réalisation de tels systèmes utilisant des molécules-aimants dans des systèmes spintroniques a été relativement rapide. Ainsi, en 2011, les premières spin-valves constituées de molécules de TbPc2 ancrées sur des nanotubes de carbone insérés entre deux électrodes non magnétiques ont été rapportées . Les propriétés de transport électrique au sein de nanotube de carbone y ont été modifiées par l’application d’un champ magnétique impactant les molécules de TbPc2. La possibilité d’obtenir des propriétés de magnétorésistance géante (GMR) sur des dispositifs à base de molécule-aimant était donc démontrée. En 2012, des transistors moléculaires à base de TbPc2 ont été produits, permettant la si convoitée « lecture » du spin du TbIII, et, en 2014,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KAHN (O.) - Molecular magnetism. - Wiley-VCH, Weinheim (1993).
-
(2) - GATTESCHI (D.), BOGANI (L.), CORNIA (A.), MANNINI (M.), SORACE (L.), SESSOLI (R.) - Molecular magnetism, status and perspectives. - Solid State Sci., 10, p. 1701-1709 (2008).
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(3) - * - Web of Science by Clarivate Analytics (2018).
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(4) - DEI (A.) - Molecular magnetism : a philosophical perspective from a biased point of view. - Inorg. Chim. Acta, 361, p. 3344-3355 (2008).
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(5) - BENELLI (C.), GATTESCHI (D.) - Introduction to Molecular magnetism : from transition metals to lanthanides. - Wiley (2015).
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(6) - FERRANDO-SORIA (J.), VALLEJO (J.), CASTELLANO (M.), MARTÍNEZ-LILLO (J.), PARDO (E.), CANO (J.), CASTRO (I.), LLORET (F.), RUIZ-GARCÍA (R.), JULVE (M.) - Molecular magnetism,...
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ANNEXES
Communauté française regroupée au sein du groupement de recherche du CNRS « magnétisme et commutation moléculaires » (GdR MCM2) http://www.gdr-mcm2.cnrs.fr/
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ICMM (Internationnal Conference on Molecular Magnetism) : a lieu tous les 2 ans, les années paires. Prochaine édition prévue en 2020
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