Un nouvel ordre apériodique de molécules magnétiques bistables

Les atomes ou les molécules d’un matériau cristallin sont organisés selon un réseau périodique dans les trois dimensions de l’espace. Parfois, il apparait dans ces matériaux des structures régulières qui se répètent avec une périodicité incommensurable avec celle du cristal : cette période et celles du réseau ne sont pas dans des rapports rationnels. Des physiciens de l’Institut de Physique de Rennes - IPR (CNRS - Univ. Rennes 1), du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble - LNCMI (CNRS - Univ. Joseph Fourier Grenoble - INSA Toulouse - Univ. Toulouse 3), du Laboratoire de Chimie de Coordination de Toulouse - LCC (CNRS) et du synchrotron Soleil, en collaboration des chercheurs tchèques et japonais, viennent de démontrer l’existence d’un nouveau matériau de ce type pour lequel la structure incommensurable est due à l’état de molécules pouvant se trouver dans deux états magnétiques distincts. Cette organisation non périodique peut être décrite comme la projection dans notre espace à trois dimensions d’un ordre périodique dans un espace à quatre dimensions (Figure). C’est en utilisant un laser, permettant de mettre toutes les molécules dans un même état, qu’il est ici démontré que la lumière porte le matériau dans un ordre périodique à 3 dimensions, ordre qui disparait si la température de matériau est portée au-delà d’une valeur critique. Ces travaux font l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Les chimistes ont tout d’abord synthétisé des cristaux de molécules à base de Fer II commutables entre un état magnétique et un état non magnétique. A haute température, c’est-à-dire au dessus de 230K, toutes les molécules sont magnétiques, tandis qu’à basse température, il s’établit un équilibre dans lequel la moitié des molécules passe dans l’état non magnétique. En utilisant la diffraction des rayons X, les physiciens ont observé qu’il subsiste des réflexions de Bragg, signes que le matériau est ordonné. Toutefois, pour comprendre cet ordre, aux trois vecteurs correspondant à la périodicité du cristal dans les trois directions de l’espace, il est nécessaire d’ajouter un quatrième vecteur, incommensurable avec les trois premiers et signe d’une structure apériodique. En outre, contrairement à ce qui est observé dans le cas des systèmes apériodiques classiques pour lesquels l’apériodicité est liée à des variations de composition chimique, ici l’ordre peut être effacé temporairement par la lumière en plaçant toutes les molécules dans l’état magnétique. Comme le disent les chercheurs « la lumière représente un nouveau paramètre de contrôle pour refermer la quatrième dimension ». Ces changements sont associés à des modifications des propriétés magnétiques du matériau à l’échelle macroscopique, ainsi qu’à des changements de couleur. Ce travail qui associe apériodicité, multistabilité et phénomènes photo-induits ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour explorer de nouveaux états de la matière présentant des fonctions telles que le photochromisme et le photomagnétisme.

Les molécules dans différents états magnétiques représentés en rouge et bleu forment une structure périodique à 4 dimensions.