Un champ magnétique dans les nanomètres ?

Les molécules, des générateurs de champs magnétiques ? Des chercheurs autrichiens viennent de découvrir un phénomène inattendu qui pourrait révolutionner notre compréhension de l’interaction entre la lumière et la matière.

Quand des molécules sont irradiées par de la lumière infrarouge, elles commencent à vibrer en raison de l’apport d’énergie. Pour Andreas Hauser, de l’Institut de physique expérimentale de l’Université de technologie de Graz (TU Graz), ce phénomène bien connu était le point de départ pour se demander si ces oscillations pouvaient également être utilisées pour générer des champs magnétiques. En effet, les noyaux atomiques sont chargés positivement, et lorsque une particule chargée se déplace, un champ magnétique est créé.

En utilisant l’exemple des phthalocyanines métalliques – des molécules de colorant en forme d’anneau, planes – Andreas Hauser et son équipe ont maintenant calculé que, en raison de leur haute symétrie, ces molécules génèrent réellement de petits champs magnétiques dans la gamme des nanomètres lorsque des impulsions infrarouges agissent sur elles. Selon les calculs, il devrait être possible de mesurer la force de champ relativement faible mais très précisément localisée à l’aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire.

La danse circulaire des molécules

Pour les calculs, l’équipe s’est appuyée sur des travaux préliminaires datant des débuts de la spectroscopie laser, certains remontant à plusieurs décennies, et a utilisé la théorie moderne de la structure électronique sur des superordinateurs au Vienna Scientific Cluster et à la TU Graz pour calculer comment les molécules de phthalocyanine se comportent lorsqu’elles sont irradiées par de la lumière infrarouge polarisée circulairement. Il s’est avéré que les ondes lumineuses polarisées circulairement, c’est-à-dire tordues en hélice, excitent deux vibrations moléculaires simultanément à angle droit l’une de l’autre.

« Comme tout couple de danseurs de rumba sait, la combinaison appropriée de mouvements avant-arrière et gauche-droite crée une petite boucle fermée. Et ce mouvement circulaire de chaque noyau atomique affecté crée réellement un champ magnétique, mais uniquement très localement, avec des dimensions dans la gamme de quelques nanomètres », explique Andreas Hauser.

Les molécules comme circuits dans les ordinateurs quantiques

En manipulant sélectivement la lumière infrarouge, il est même possible de contrôler la force et la direction du champ magnétique, ajoute Andreas Hauser. Cela transformerait les molécules en interrupteurs optiques de haute précision, qui pourraient peut-être également être utilisés pour construire des circuits pour un ordinateur quantique.

En collaboration avec des collègues de l’Institut de physique de l’état solide de la TU Graz et une équipe de l’Université de Graz, Andreas Hauser souhaite maintenant prouver expérimentalement que des champs magnétiques moléculaires peuvent être générés de manière contrôlée.

« Pour la preuve, mais également pour les applications futures, la molécule de phthalocyanine doit être placée sur une surface. Cependant, cela change les conditions physiques, ce qui à son tour influence l’excitation induite par la lumière et les caractéristiques du champ magnétique », précise Andreas Hauser. « Nous voulons donc trouver un matériau de support qui a un impact minimal sur le mécanisme souhaité. »

Dans une prochaine étape, le physicien et ses collègues veulent calculer les interactions entre les phthalocyanines déposées, le matériau de support et la lumière infrarouge avant de mettre les variantes les plus prometteuses à l’épreuve dans des expériences.

Légende illustration : Andreas Hauser de l’Institut de physique expérimentale de l’Université technique de Graz. Crédit : Lunghammer – TU Graz

Article : « Molecular Pseudorotation in Phthalocyanines as a Tool for Magnetic Field Control at the Nanoscale » – DOI: 10.1021/jacs.4c01915