Nanosystèmes magnétiques
Axe 3 - Molécules-aimants comme modèles de qbits
Anisotropie magnétique géante de type Ising dans des complexes de NiII de géométrie bipyramide trigonale
Grâce au ligand organique chélatant Me6tren, le complexe mononucléaire de NiII présente une symétrie bipyramidale trigonale conduisant à une très grande anisotropie magnétique. C’est l’anisotropie la plus grande, trouvée à ce jour, pour un complexe de NiII. Ce complexe se comporte comme un système à deux niveaux et peut être considéré comme un qbit électronique.
(gauche) Vue de la structure moléculaire du complexe trigonal NiII avec les principaux axes du tenseur d'anisotropie
(droite) Représentation schématique d'un fossé autour d'un croisement Jahn−Teller C3 montrant les trois minima équivalents en symétrie, la représentation tridimensionnelle (le tricorne, haut) et le tracé de contour équipotentiel (bas)
Giant Ising-Type Magnetic Anisotropy in Trigonal Bipyramidal Ni(II) Complexes: Experiment and Theory. R. Ruampst, R. Maurice, L. Batchelor, M. Boggio-Pasqua, R. Guillot, A-L. Barra, J. Liu, E-E. Bendeif, S. Pillet, S. Hill, T. Mallah, N. Guihéry (2013) J. Am. Chem. Soc. 135 (8), 3017-3026
Anisotropie magnétique de type Ising et comportement de molécule-aimant dans des complexes mononucléaire de CoII en géométrie bipyramide trigonale
Le complexe trigonal bipyramidal Co(Me6tren)Cl+ se comporte comme une molécule-aimant avec une ouverture de la boucle d'hystérèse en champ nul à très basse température. La boucle comporte des marches associées au couplage hyperfin entre les spins électroniques et nucléaires du Co comme observé dans le complexe Tb(phtalocyanine)2 qui se comporte comme un qdit (avec d = 4, car le spin nucléaire de Tb ITb est égal à 3/2). Le complexe de CoII peut être considéré comme un qdit avec d = 8 car ICo = 7/2.
(gauche) Aimantation en fonction du champ sur un monocristal de [Zn0.9Co0.1(Me6tren)Cl](ClO4) avec son axe de facile aimantation aligné avec le champ à différentes températures. (droite) dM/dH = f(µ0H) à T = 30 mK montrant le couplage hyperfin entre les spins nucléaires et électroniques
Ising-type magnetic anisotropy and single molecule magnet behaviour in mononuclear trigonal bipyramidal Co(II) complexes. R. Ruamps, L. Batchelor, R. Guillot, G. Zakhia, A-L. Barra, W. Wernsdorer, N. Guihéry, T. Mallah (2014) Chem. Sci. 5 (9), 3418-3424
Relaxation lente de l'aimantation dans un complexe Dy2 couplé antiferromagnétiquement
Dans le complexe binucléaire, l’entité mononucléaire DyIII a une anisotropie de type Ising. Dans le cadre moléculaire, les deux axes d'anisotropie sont orientés de manière à aligner leurs moments magnétiques d'une manière antiparallèle, comme illustré ci-dessous. Malgré le couplage antiferromagnétique, une ouverture de la boucle d'hystérèse est observée en champ nul en raison de la dynamique des processus de relaxation au sein du complexe binucléaire
(gauche) Aimantation en fonction du champ montrant une ouverture de la boucle d'hystérèse en champ nul et la présence d'un couplage antiferromagnétique entre les deux ions DyIII
(droite) Diagramme d'énergie dépendant du champ montrant les différents processus de relaxation du complexe binucléaire
Assessing the exchange coupling in binuclear lanthanide(III) complexes and the slow relaxation of the magnetization in the antiferromagnetically coupled Dy2 derivative. C. Chow, H. Bolvin, V. Campbell, R. Guillot, J. Kampf, W. Werndorfer, F. Gendron, J. Autschbach, V. Pecoraro, T. Mallah (2015) Chem. Sci. 6 (7), 4148-4159
Molécules-aimants couplées antiferromagnétiquement comme modèles de qbits doubles
Nous utilisons des ligands de type cryptand avec deux sites de coordination afin de préparer des complexes binucléaires CoII et de NiII avec une grande anisotropie magnétique contrôlée et un couplage antiferromagnétique faible. Ces espèces peuvent être considérées comme des systèmes à deux niveaux couplés et peuvent jouer le rôle de doubles qbits.
Structure cristalline d'un complexe mononucléaire CoII se comportant comme une molécule-aimant et les espèces binucléaires correspondantes
Complexe binucléaire NiII possédant une grande anisotropie magnétique locale et un couplage antiferromagnétique faible
Design and Magnetic Properties of a Mononuclear Co(II) Single Molecule Magnet and Its Antiferromagnetically Coupled Binuclear Derivative. F. El Khatib, B. Cahier, F. Shao, M. López-Jordà, R. Guillot, E. Rivière, H. Hafez, Z. Saad, J-J. Girerd, N. Guihéry, T. Mallah (2017) Inorg. Chem. 56 (8), 4601-4608
Design of a Binuclear Ni(II) Complex with Large Ising-type Anisotropy and Weak Anti-Ferromagnetic Coupling. F. El Khatib, B. Cahier, M. López-Jordà, R. Guillot, E. Rivière, H. Hafez, Z. Saad, J-J. Girerd, N. Guihéry, T. Mallah (2017) Inorg. Chem. 56 (17), 10655-10663
Dernière mise à jour le 21.06.2019
Etudes fondamentales de qubits à base de Ni(II)
Etudiant en thèse : Idris Tlemsani
Collaborations :
- Serge Gambarelli (RPE pulsée, CEA : Molecular Systems and nanoMaterials for Energy and Health, SyMMES, Grenoble)
- Anne-Laure Barra (HF-RPE, Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses, Grenoble)
- Nicolas Suaud, Nathalie Guihéry, Hélène Bolvin (études théoriques, Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques, Toulouse)
Références :
- Chemical Science, 2021, 12, 5123–5133
Les molécules magnétiques peuvent jouer le rôle de qubit nécessaire à la réalisation d’un ordinateur quantique. Cependant, leur utilisation reste limitée par leur temps de cohérence, c’est-à-dire le temps durant lequel elles peuvent conserver une information. Les interactions magnétiques, comme les interactions dipolaires entre ces molécules, sont responsables de la décohérence, et il est donc nécessaire de les diminuer. Une manière simple de réduire ces interactions consiste à éloigner les molécules les unes des autres notamment en les diluant dans une matrice diamagnétique. Cependant, cela a également pour effet de limiter la capacité des qubits à communiquer entre eux.
Pour s’affranchir de ce problème, une solution est de construire une molécule dans une configuration telle que les niveaux d’énergie soient protégés contre les fluctuations du champ magnétiques. Une telle molécule peut s’obtenir en utilisant le couplage hyperfin entre spin électronique et nucléaire. Une deuxième solution consiste à utiliser des complexes de spin entier, comme le Ni(II) dans une géométrie octaédrique, définissant ainsi un qubit à champ nul.
Dans le groupe, nous utilisons le potentiel de la chimie de coordination pour tâcher d’élaborer des molécules qui se comportent comme des qubits efficaces. Le contrôle du champ de ligand, associé au couplage spin-orbite, permet de moduler la sphère de coordination des complexes et de gérer leurs paramètres d’anisotropie. Ces valeurs caractéristiques, qui définissent l’efficacité potentielle des complexes, sont rationalisées par des études théoriques et de RPE à haut champ / haute fréquence. Les paramètres caractéristiques des qubits (temps de cohérence, …) sont ensuite déterminés par des études de RPE pulsée. De premiers résultats ont montré qu’il est possible d’obtenir des qubits de Ni(II) présentant un temps de cohérence élevé à champ nul, démontrant ainsi le potentiel de la « clock transition » qui isole le qubits des fluctuations du champ magnétique.
