Graphène, une structure en nid d'abeille bidimensionnelle constituée d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome, possède de nombreuses propriétés exceptionnelles. Ceux-ci incluent une résistance mécanique énorme et des propriétés électroniques et optiques extraordinaires. L'année dernière, une équipe dirigée par le chercheur de l'Empa Roman Fasel a pu montrer qu'il pouvait même être magnétique :ils ont réussi à synthétiser une molécule en forme de nœud papillon, qui a des propriétés magnétiques spéciales.

Maintenant, les chercheurs rapportent une autre percée. Des travaux théoriques de 2007 ont prédit que le graphène pourrait présenter un comportement magnétique s'il était découpé en minuscules triangles. Au cours des trois dernières années, plusieurs équipes, dont l'équipe Empa, ont réussi à produire les soi-disant triangulènes, constitué de quelques dizaines d'atomes de carbone, par synthèse chimique sous ultra-vide.

Sur la piste du magnétisme avec le microscope à effet tunnel

Cependant, leur magnétisme était resté inconnu jusqu'à présent. D'abord, la présence de spins non appariés, qui rendent les triangulènes magnétiques en premier lieu, les rendent également extrêmement réactifs. Deuxièmement, même avec des molécules stables, il est extrêmement difficile de prouver le magnétisme d'un si petit morceau de matière. Mais maintenant, un groupe international de scientifiques de l'Empa, l'Université technique de Dresde, l'Université d'Alicante et le Laboratoire international ibérique de nanotechnologie au Portugal ont réussi à le faire.

Cette percée a été rendue possible grâce à un outil puissant pour étudier la matière au niveau atomique, le microscope à effet tunnel (STM). Le STM permet de conduire des courants électriques à travers des atomes individuels ou des nanostructures déposées sur un substrat conducteur. Jusque là, cependant, les triangulènes individuels n'avaient fourni qu'une preuve indirecte de leur nature magnétique.

Double triangle avec intrication quantique

Maintenant, cependant, les chercheurs ont examiné des molécules dans lesquelles deux triangulènes sont reliés par une seule liaison carbone-carbone (appelés dimères triangulènes). Ces structures ont fourni une preuve directe de la nature magnétique des triangulènes. C'est parce que la théorie dit ce qui suit :si deux triangles sont joints, non seulement leur magnétisme est préservé; leurs moments magnétiques devraient également former un état « intriqué quantique ». Cela signifie que les spins - les minuscules moments magnétiques - de leurs électrons non appariés doivent pointer dans des directions opposées. Cet état est connu sous le nom d'état antiferromagnétique (ou de spin-0).

En outre, la théorie prévoyait également qu'il devrait être possible d'exciter les dimères triangulènes jusqu'à un état dans lequel leurs spins ne sont plus parfaitement alignés (état spin-1). L'énergie nécessaire pour provoquer cette excitation, l'énergie dite d'échange, reflète la force avec laquelle les spins des deux triangulènes dans les dimères sont liés à l'état antiferromagnétique. Et en effet dans leurs expériences, les chercheurs ont découvert que le dimère triangulène peut être excité jusqu'à l'état de spin 1 en injectant des électrons d'une énergie de 14 meV.

Matériaux magnétiques organiques pour la spintronique

Les scientifiques ont également synthétisé un deuxième dimère triangulène dans lequel les unités triangulène n'étaient pas directement reliées par une simple liaison carbone-carbone, mais par une "entretoise", un anneau de carbone hexagonal. Les chercheurs s'attendaient à ce que cet élément de connexion plus grand entre les unités triangulaires réduise considérablement l'énergie d'échange. Et c'est exactement ce que les expériences ont montré :l'énergie d'échange n'était plus que de 2 meV, soit 85 % de moins qu'avec les triangulènes directement connectés.

Ces résultats sont pertinents non seulement parce qu'ils fournissent des preuves directes du magnétisme tant attendu dans les triangulènes, mais aussi parce qu'ils montrent comment ces nanosystèmes remarquables peuvent être combinés pour former des structures plus grandes avec des états magnétiques intriqués quantiques. À l'avenir, ces nouveaux matériaux magnétiques (et purement organiques) pourraient non seulement être utilisés dans des technologies telles que le traitement de l'information basé sur le spin, qui promettent des ordinateurs plus rapides avec une consommation d'énergie plus faible, ou dans les technologies quantiques; mais ils pourraient aussi fournir un terrain fertile pour l'étude de phénomènes physiques exotiques.