Couplage magnétique de surface entre des atomes de Manganèse et un réseau organométallique

Des atomes magnétiques peuvent s’intercaler dans des molécules organiques, créant ainsi une surface de réseaux organométalliques. Savoir si de tels systèmes présentaient des propriétés magnétiques était au cœur d’une étude récente réalisée à SOLEIL par une équipe française ((IM2NP, CNRS/ Université d’Aix-Marseille) et anglaise, (Diamond Light Source). Les expériences ont été menées sur la ligne de lumière DEIMOS, où il est possible de coupler microscopie atomique avec des mesures magnétiques en conditions extrêmes.

Fig. 1: a) Modèle schématique du complexe métal-ligand Mn-TCNB. Les molécules de TCNB sont composées d’un cycle de benzène terminé par 4 groupements cyano-. Les groupements cyano- sont des unités électronégatives qui se coordonnent avec les atomes de Mn pour former une maille carrée avec un paramètre de maille de 1.2nm.  b) Image par microscopie à force atomique du réseau Mn-TCNB.

Les molécules organiques fonctionnelles sont capables de manipuler et de contrôler le spin des électrons d’atomes de métal hôtes. Elles peuvent aussi jouer le rôle de ponts entre atomes magnétiques, servant alors de liaisons dans une maille ordonnée. Les propriétés magnétiques du système entier dépendront alors de plusieurs paramètres, comme la forme et la dimension de la maille ou encore la liaison organométallique. Aujourd’hui, il est reconnu qu’une méthode efficace pour contrôler de tels paramètres consiste à exploiter les propriétés d’auto-assemblage des molécules organiques en 2 dimensions, et de construire les réseaux organométalliques à l’aide de surfaces supports. En pratique, cela revient à déposer simultanément des molécules organiques préparées spécialement, et des atomes magnétiques sur une surface préparée et nettoyée à l‘échelle atomique.

 

Dans cette étude, les liaisons préférentielles entre les atomes additionnels de Mn et les groupes périphériques de molécules de tétra-cyano-benzène (TCNB) ont été utilisées pour créer des régions étendues de réseaux Mn-TCNB sur des substrats d’or et d’argent (Fig1a)

L’ensemble a été caractérisé par AFM (Fig1b) grâce à un dispositif dédié placé en fin de station expérimentale. Les caractérisations magnétiques complémentaires se sont appuyées sur la grande sensitivité chimique et magnétique de rayons X tendres polarisés circulairement et issus d’un rayonnement synchrotron. En fait, en refroidissant l’échantillon à des températures extrêmement basses, la réponse magnétique des centres Mn dans les réseaux Mn-TCNB a été mesurée par Dichroïsme Circulaire Magnétique des rayons X (XMCD) dans différentes configurations géométriques (Fig2a). Une modélisation théorique des spectres a permis l’extraction de paramètres importants comme l’énergie anisotrope des atomes de Mn, suggérant un plan simple de magnétisation sur la surface. Une étude plus poussée a été ensuite menée en répétant les mesures pour différentes intensités de champ magnétique. Les courbes de magnétisation ainsi obtenues (Fig. 2-b) s’éloignent clairement du comportement paramagnétique (fonction de Brillouin) auquel on s’attendrait en l’absence d’interaction entre les atomes de Mn. Ce comportement révèle la présence d’un couplage ferromagnétique (anisotrope) à basse température entre les atomes de Mn. Afin d’en savoir plus, les chercheurs prévoient de modifier le couplage magnétique en insérant des centre magnétiques dans un réseau covalent plus étendu. Un transport magnétique de l’information devrait ainsi être favorisé.

Fig. 2 : Etude magnétique de Mn-TCNB. a) XMCD opéré sous champ magnétique saturant (6 T) dans différentes géométries à T = 3K. q=0° implique une incidence normale, et sonde perpendiculairement à la surface. q=70° signifie qu’on se place en incidence rasant, de manière à sonder une direction proche de la surface. Les courbes rouges et bleues représentent les spectres d’absorption X des atomes de Mn, pris avec une opposition d’alignement entre le champ magnétique et l’hélicité X. Un XMCD important (différence entre les deux spectres) indique une forte magnétisation des atomes de Mn. Le fait que le XMDC varie avec la direction révèle une anisotropie magnétique. Le spectre XMDC théorique prévoit une anisotropie dans le plan. b) Courbes de magnétisation (symboles) mesurés en XMDC à T=3K en incidence normale et incidence rasante. Les traits pleins sont la corrélation linéaire d’un spin Hamiltonien. Les paramètres obtenus sont la température de Curie et l’énergie d’anisotropie. La courbe en pointillés représente la fonction de Brillouin à 3K dans un système où S=5/2.