Quand la chiralité structure la matière et les spins

La chiralité – propriété d’un objet ou d’une assemblée de spins à être non superposable à son image dans un miroir – est omniprésente dans la nature à toutes les échelles. En physique, elle est susceptible de jouer un rôle clé dans l’existence de textures magnétiques complexes conférant à ces objets des propriétés originales. À l’échelle moléculaire, associer chiralités structurale et magnétique reste cependant un défi.

Dans ce contexte, les scientifiques du Laboratoire national des champs magnétiques Intenses (CNRS/Univ. Grenoble Alpes/INSA Toulouse/Univ. Toulouse Paul Sabatier) se sont intéressés à une famille de composés chiraux appelés « single-molecule toroics » (SMT). Dans ces molécules chirales, les moments magnétiques élémentaires (les spins) ne s’alignent pas simplement comme dans un aimant classique : ils s’organisent en boucle fermée, formant un vortex magnétique. Cette configuration génère un « moment magnétique toroïdal » comparable à un minuscule champ magnétique en forme d’anneau.

Jusqu’à maintenant, la synthèse des SMT menait à un mélange des deux espèces magnétiques appelées énantiomères, images l’une de l’autre dans un miroir, chacune présentant un sens de rotation des vortex (horaire et antihoraire). Pour exploiter pleinement les propriétés liées à la présence de ce vortex, il est cependant crucial de pouvoir sélectionner une seule des deux espèces présentant un seul sens de rotation.  

Pour cela, l’équipe a conçu une paire de molécules énantiopures – images l’une de l’autre dans un miroir – construites autour d’un triangle de trois ions dysprosium (Dy³⁺) reliés par des molécules organiques appelées ligands. Grâce à l’utilisation de ligands chiraux, la chiralité structurale de la molécule impose une chiralité aux spins qu’elle porte : le vortex magnétique adopte un seul sens, déterminé par la géométrie de la molécule qui pilote directement l’organisation des moments magnétiques.

Des mesures de dichroïsme magnéto-chiral (MChD), une technique spectroscopique encore peu exploitée sensible à la fois à la chiralité et à l’aimantation, associées à des calculs ab-initio, ont permis de détecter le moment magnétique toroïdal à basse température (< 4.5 K). Les résultats montrent que, dans le cristal, toutes les molécules adoptent la même chiralité magnétique à l’échelle de la maille cristalline.

Ces résultats, publiés dans la revue Nature Chemistry, montrent que la chiralité moléculaire peut servir de levier pour contrôler la chiralité magnétique. À terme, de tels systèmes pourraient permettre de générer un état magnétique toroïdal exploitable dans des dispositifs magnétoélectriques ou de spintronique chirale, où l’information ne serait plus seulement encodée dans l’orientation d’un spin, mais dans le sens d’un vortex magnétique. Une étape importante vers des architectures moléculaires capables de coupler intimement magnétisme et asymétrie spatiale – deux ingrédients clés des technologies quantiques et de l’électronique du futur.

Rédacteur : CCdM