Comment optimiser les performances des molécules-aimants

Comme son nom l’indique, la molécule-aimant est un aimant formé d’une seule molécule. Elle a la capacité de garder une aimantation indépendamment de celles de ses voisines, au sein d’un même matériau. Elle ouvre ainsi des pistes dans le domaine du magnétisme moléculaire et du stockage d’information à une échelle très réduite. 

Ces molécules contiennent des ions métalliques ou des centres paramagnétiques (atomes ou ions possédant des électrons non appariés) qui sont à l’origine de son magnétisme.Actuellement, les molécules aimant les plus performantes sont obtenues à partir d’ions lanthanide (appelés également ions 4f). C’est l’environnement électrostatique local de ces ions, constitué de molécules organiques appelées ligands, qui va déterminer les propriétés magnétiques de ces molécules. Ces ions peuvent en effet adopter des géométries particulières qui donnent à leurs nuages électroniques des formes favorisant le comportement d’aimant : une sphère aplatie suivant un axe dite  forme « oblate » pour les ions Ce^III, Pr^III, Nd^III, Tb^III, Dy^III, Ho^III , alors que les ions Pm^III, Sm^III, Er^III, Tm^III, Yb^III préfèrent la forme allongée suivant ce même axe dite forme « prolate ».

 Récemment, les résultats d’une approche théorique basée sur des considérations de symétrie ont proposé comme meilleur candidat possible pour accéder au rang de molécule-aimant, une molécule fictive à base d’Yb^III en coordinance 3 de symétrie trigonale schématisée sur la figure. Une coordinance très faible, difficilement accessible pour un ion lanthanide qui préfère toujours une coordinence beaucoup plus élevée (généralement 8 à 9) 

Pour tester la validité de cette hypothèse, des scientifiques de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université Rennes/ENSCR/INSA Rennes) sont parvenus à synthétiser cette molécule de géométrie supposée optimale.  En développant une approche combinant calculs théoriques et mesures d’émission infra-rouge à basse température, ils confirment le comportement de molécule-aimant, mais montrent également que les performances sont bien en deçà de celles attendues. Les anomalies qu’ils observent dans l’émission infra-rouge de la molécule pourraient être une signature expérimentale de contributions vibroniques actives dans la molécule, néfastes au comportement de molécule-aimant. 

Ces résultats montrent que des considérations de symétrie ne sont pas les seules à prendre en compte pour optimiser le design de molécules-aimants efficaces. Le contrôle des couplages vibroniques semble aussi être un paramètre clé à ne pas négliger. 

Rédacteur : CCdM