Accueil du site > Vie de la recherche > Actualités scientifiques > Actualités 2014




Recherchez sur ce site


Cartographier la densité résolue en spin des électrons d’une molécule

21 mai 2014

Molécule , LLB - UMR 12 , spin , CRM2 - UMR7036 , SPMS -UMR8580 , magnétisme , diffraction de neutrons , diffraction

Alors que jusqu’à présent, les densités de charge et de spin à l’échelle atomique étaient obtenues indépendamment, des physiciens viennent de réaliser la première carte de densité électronique résolue en spin en combinant dans un même modèle les résultats de trois méthodes d’investigation : la diffraction de rayons X, la diffraction de neutrons et la diffraction de neutrons polarisés.

GIF - 2.3 ko
Télécharger le PDF

Ce sont les électrons qui déterminent les propriétés magnétiques d’un aimant moléculaire. Tous ces électrons sont autant d’aimants élémentaires en interaction et dont les effets s’ajoutent pour engendrer l’aimantation de la molécule. La détermination expérimentale de la répartition spatiale des électrons responsables du magnétisme macroscopique, c’est-à-dire de leur localisation et leur orientation majoritaire dans un sens ou dans l’autre repose sur des mesures de diffraction de neutrons polarisés. Pour des raisons inhérentes à la technique, ces mesures fournissent des jeux restreints de données expérimentales dans la limite de résolution nécessaire pour l’étude du magnétisme. La structure du matériau ou la localisation spatiale des électrons sont en revanche plus facilement accessibles grâce à la diffraction de rayons X. Alors que jusqu’à présent ces différentes mesures étaient réalisées de manière indépendante, des physiciens du Laboratoire Léon Brillouin - LLB (CNRS / CEA), de l‘École Centrale de Paris (laboratoire SPMS) et du laboratoire Cristallographie, résonance magnétique et modélisations - CRM2 (CNRS / Université de Lorraine) ont développé un algorithme et le logiciel associé afin d’intégrer dans une même modélisation les résultats expérimentaux des trois techniques. Ils ont ainsi pour la première fois cartographié expérimentalement de manière précise la densité électronique résolue en spin, c’est-à-dire la densité d’électrons de spin up et la densité d’électrons de spin down pour un complexe binucléaire de cuivre synthétisé au laboratoire Matériaux et Interfaces de Lyon (LMI). Ces résultats permettent pour la première fois de tester et ainsi de confirmer la validité des modélisations théoriques obtenues par les méthodes de fonctionnelle de densité. Ils sont publiés dans le Journal de l’International Union of Crystallography (IUCrJ).

Pour parvenir à leur fin, les physiciens ont développé une approche originale permettant de combiner les résultats provenant des données issues des expériences de diffraction de rayons X, de neutrons polarisés et non polarisés. Les difficultés majeures de ce travail étaient de définir un modèle commun, de choisir la pondération à utiliser entre les jeux de données expérimentales de tailles très disparates et de déterminer la meilleure manière de conduire l’affinement d’un tel modèle. Pour tester leur approche, les chercheurs ont étudié un complexe organométallique de cuivre par diffraction de rayons X à haute résolution (au CRM2) et diffraction de neutrons et de neutrons polarisés (au LLB). En combinant les résultats des mesures, ils ont obtenu un modèle unique de densité électronique pour cet aimant moléculaire. Cette description apporte pour la première fois une preuve expérimentale de calculs quantiques basés sur la théorie de la fonctionnelle densité réalisés au laboratoire SPMS et permettent une confrontation fine entre théorie et expérience. Les chercheurs prévoient d’une part de généraliser cette approche en l’appliquant à des matériaux magnétiques de natures différentes (inorganiques, radicaux organiques) et d’autre part de pouvoir intégrer d’autres types de mesure dans la modélisation, notamment la diffusion magnétique des rayons X, la diffusion Compton et des spectroscopies de résonance.

GIF - 101.5 ko
Densités de probabilité de présence des électrons de valence de spin up (majoritaires, en rouge) et spin down (minoritaires, en bleu) déterminées à partir de l’affinement joint du modèle « spin-split ». Les lignes d’équi-densité sont représentées dans le plan Cu-N1-O1 tous les 0.001 x 2n (n=0,12) e/Å3
GIF - 8.6 ko
Vue de la structure du complexe (azotes en bleu, oxygènes en rouge, carbones en gris, hydrogènes en jaune et cuivres en orange)

En savoir plus

First spin-resolved electron distributions in crystals from combined polarized neutron and X-ray diffraction experiments
M. Deutsch1,2, B. Gillon2, N. Claiser1, J.-M. Gillet3, C. Lecomte1 et M. Souhassou1, IUCrJ (2014) - article en libre accès

Contacts chercheurs

Nicolas Claiser, maître de conférences de l’Université de Lorraine

Informations complémentaires

1 Cristallographie, résonance magnétique et modélisations (CRM2)

2 Laboratoire Léon Brillouin (LLB)

3 Laboratoire Structures, Propriétés, Modélisation des Solides (SPMS)

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr