Commutation des états de spin des ions manganèse par la lumière

Des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont développé une nouvelle méthode pour utiliser des molécules comme minuscules dispositifs de stockage de données, grâce à un nouveau matériau à base de manganèse. Jusqu’à présent, cela n’était possible qu’avec des matériaux moléculaires contenant du fer, qui nécessitent des températures très basses – allant de 100 à 130 Kelvin maximum (environ -173 à -143 degrés Celsius) rendant leur application nettement plus difficile.

« Avec notre nouveau matériau à base de manganèse, nous avons réussi à augmenter la température de fonctionnement des dispositifs de stockage potentiels à environ -132 degrés Celsius dès notre première tentative », a déclaré le professeur Dr. Katja Heinze du département de chimie de la JGU. « Cela signifie que le matériau surpasse tous les matériaux moléculaires à base de fer précédemment connus pour ces applications et marque une percée en spintronique. » Les résultats ont été publiés aujourd’hui par le groupe de recherche dirigé par Heinze dans la prestigieuse revue Nature Chemistry.

Un saut de température de onze Kelvin

Dans la quête d’un stockage de données toujours plus efficace, les atomes – ou plus précisément les ions – offrent une option intrigante : jusqu’à présent, les spins des électrons (c’est-à-dire le moment magnétique des électrons, qui se comporte comme un aimant en barre) d’ions de fer individuels étaient alignés parallèlement ou antiparallèlement, correspondant à un « 1 » ou un « 0 ». On parle d’états de spin élevé ou de spin faible. L’inconvénient : ces dispositifs de stockage à base de fer nécessitent des températures très basses, généralement un maximum de 100 Kelvin (environ -173 degrés Celsius).

Une équipe de chercheurs avait précédemment rapporté l’obtention de températures de 130 Kelvin (environ -143 degrés Celsius). Cela suggère qu’une limite de la température de fonctionnement maximale possible des « dispositifs de mémoire à base de fer » a été atteinte. La basse température requise complique le fonctionnement : les dispositifs de mémoire devraient être refroidis, ce qui implique des besoins énergétiques élevés.

La nouvelle approche développée par les chercheurs de la JGU permet désormais un saut de température significatif. « Notre étude montre que le manganèse peut aussi bien fonctionner que le fer. Et notre nouveau matériau moléculaire le fait encore mieux », a déclaré Sandra Kronenberger, qui a synthétisé le nouveau matériau en tant que doctorante dans le groupe de recherche de Heinze, soutenue par le Max Planck Graduate Center en collaboration avec la JGU. « Bien sûr, le système fonctionne encore bien en dessous de la température ambiante, mais ce nouveau développement constitue une avancée significative », a ajouté le Dr. Luca Carrella du département de chimie de la JGU, qui a mesuré le comportement magnétique du nouveau matériau. Selon lui, des températures encore plus élevées en spintronique se profilent à l’horizon.

Manganèse associé à des ligands carbènes

La récente percée en matière de température a été obtenue en utilisant du manganèse combiné à des ligands dérivés de carbènes N-hétérocycliques qui se lient fortement au manganèse. Cette liaison forte stabilise l’état de spin faible tout en créant une barrière énergétique élevée entre les deux états de spin.

En termes moins physico-chimiques : les deux états de spin, qui peuvent servir au stockage d’informations, deviennent plus stables et peuvent résister à des températures plus élevées. L’« écriture » de la mémoire fonctionne de manière similaire à ce qui a été décrit précédemment pour les ions de fer : lorsque les ions de manganèse sont irradiés par la lumière, certains électrons changent d’état de spin, et la couleur du matériau passe du rouge foncé (état de spin faible) au jaune clair (état de spin élevé).

« La couleur et les propriétés magnétiques du matériau commuté persistent pendant une période utile – même après que la lumière est éteinte. Par conséquent, ce concept pourrait ouvrir la voie aux futures technologies de stockage numérique », a déclaré Heinze.

Article : Covalency control of photomagnetic relaxation in a manganese(II) photoswitch – Journal : Nature Chemistry – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : JGU