Une équipe de chercheurs anglo-italiens est venue récemment à SOLEIL utiliser la ligne de lumière DEIMOS pour étudier des réfrigérateurs moléculaires déposés sur une surface d’or. Grace aux mesures d’absorption de rayons-X de basse énergie et sous champ magnétique, technique de prédilection de la ligne DEIMOS, les chercheurs ont pu montrer que le procédé de dépôt n’altérait pas les propriétés électroniques, magnétiques et thermodynamiques des molécules, suggérant ainsi la possibilité d’utiliser de tels composés dans des procédés de refroidissement à l’échelle moléculaire.
Figure 1a,b) structure, dimensions et orientation moléculaires de la molécule de Gd4M8 déposé sur une surface d’or.
Couleurs : gadolinium en violet, M (zinc ou nickel) en vert, oxygène en rouge, azote en bleu et carbone en noir.
Les composants électroniques devenant de plus en plus petits, les scientifiques explorent maintenant l’utilisation de molécules uniques pour jouer ce rôle. Une question reste cependant en suspens : Est-ce que les différentes fonctions observées à grande échelle peuvent être préservées à l’échelle moléculaire ? Au cours des dernières décennies, des nano-aimants et des molécules-aimants ont été étudiés dans le but d’être utilisés comme réfrigérateur à des températures cryogéniques. Parmi ces composés, certains s’appuient sur le’ « effet magnétocalorique »(MCE), c’est-à-dire la modification des propriétés thermiques lors de l’application d’un champ magnétique. En d’autres termes, utiliser un champ magnétique pour initier un processus de refroidissement à l’échelle moléculaire !
Cependant, aucun de ces systèmes n’avait encore été étudié une fois isolé sur une surface ; les MCE seraient-ils conservés ? Double challenge pour les scientifiques : d’une part trouver une molécule qui puisse être disposée de manière répétée dans une matrice ou sur une surface, tout en préservant ses propriétés liées au MCE. Et d’autre part proposer des outils expérimentaux qui soient capables de mesurer les propriétés magnétiques à l’échelle d’une seule molécule.
Deux équipes de l’Université de Modène (Italie) et d’Edimbourg (Ecosse) ont concentré leurs efforts conjoints sur une série de complexes moléculaires à base de Gadolinium, Gd4M8 (où M est un métal de transition comme le zinc ou le nickel) –une famille de composés récemment synthétisés et présentant de grands MCE. Ces molécules ont été déposées à la surface d’un monocristal d’or (Au(111)) grâce à un procédé élaboré spécifiquement ; l’utilisation de plusieurs techniques de caractérisation (Microscopie à force atomique, Microscopie à effet tunnel, et spectrométrie de photoélectrons, cf figure 1) a permis de confirmer que la structure des molécules n’avait pas été altérée par ce procédé. Une fois les échantillons ainsi préparés, les chercheurs sont venus à SOLEIL pour utiliser la ligne DEIMOS, une ligne de rayons X tendres dédiée à l’étude des propriétés magnétiques des matériaux et particulièrement adaptée aux mesures de très basse dimensionnalité (monocouche et sous-monocouche atomique et moléculaire). Ils ont fait particulièrement attention de ne pas endommager les molécules, en ajustant le flux de photons incident. Puis, à l’aide de la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) et de dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD) ils ont vérifié que les propriétés électroniques et magnétiques des molécules isolées étaient conservées après dépôt (cf figure 2 pour la comparaison des spectres enregistrés par XAS et XMCD pour des films fins et des monocouches de GD4M8 sur AU(111)). Finalement, les chercheurs ont pu montrer que les MCE étaient bien présents chez les molécules isolées en surface.
Figure 2: Spectres d’absorption aux seuils M4,5 du Gd et L2,3 du Zn (panneau de gauche), et aux seuils L2,3 du Ni ( panneau de droite) obtenus en utilisant les deux hélicités de photons et le signal dichroïque associé, mesurés à 3K et 6T pour des films minces (Thin Film) et des monocouches (Mono Layer) deGd4Zn8 (Gd4Ni8) sur Au(111).