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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)
Contact : [email protected]
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3. Aimants massifs versus molécules-aimants
3.1 Aimants massifs
Les aimants massifs ont des propriétés magnétiques liées à l’ordre ferromagnétique qui y est présent sous leur température de Curie (T c). En revanche, les molécules-aimants sont des molécules finies et isolées ayant des propriétés magnétiques d’origine moléculaire et non collective. En première (et grosse) approximation, leurs propriétés sont donc confinées à la taille de la molécule formée. Les principales différences entre aimants massifs et molécules-aimants sont détaillées ci-après.
Lorsqu’un aimant massif, ferromagnétique, est soumis à un champ magnétique, de très nombreux spins sont corrélés dans des domaines magnétiques (domaines de Weiss) séparés par des parois (parois de Block dans les matériaux massifs et paroi de Néel dans les couches minces) . Lorsque le champ magnétique est coupé, la non-compensation de ces domaines laisse apparaître une aimantation rémanente (M r). En première approximation, la démagnétisation totale de l’échantillon intervient lorsque le champ magnétique appliqué est au minimum égal au champ coercitif (H c) (figure 1). La valeur de ce dernier est utilisée pour catégoriser les aimants « durs » et « doux » . On retient souvent la limite H c < 125 Oe pour les aimants doux (alliage nickel-fer comme le permalloy par exemple). Les aimants durs, en revanche, présentent des champs coercitifs beaucoup plus grands (H c > 5 000 Oe). Une telle rémanence de l’aimantation permet à ces aimants de générer de forts...
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Aimants massifs versus molécules-aimants
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).
-
(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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