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Découverte d’une molécule tristable

Découverte d'une molécule tristable

Une équipe franco-américaine composée de chercheurs de l’Université de Berkeley, du Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS) et de l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (CNRS) vient de réaliser une molécule non plus bistable mais tristable. Ces résultats parus dans le Journal of the American Chemical Society ouvrent des perspectives pour le stockage ternaire de l’information.

Depuis de nombreuses années, les chercheurs rêvent d’utiliser des molécules bistables comme unités élémentaires pour le stockage binaire de bits d’information (0 ou 1), et ainsi accéder à des mémoires informatiques plus légères et plus petites. Une équipe franco-américaine composée de chercheurs de l’Université de Berkeley, du Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS) et de l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (CNRS) vient de réaliser une molécule non plus bistable mais tristable, étendant ainsi les valeurs possibles des bits à 0, +1 et -1. Ces résultats parus dans le Journal of the American Chemical Society ouvrent des perspectives pour le stockage ternaire de l’information qui permettrait d’envisager des mémoires encore plus performantes.

Les chercheurs s’intéressent depuis quelques décennies à des molécules capables de stocker de l’information car les objets moléculaires sont une alternative possible à l’électronique actuelle basée sur l’utilisation du silicium. En effet, les molécules combinent plusieurs atouts qui les rendent particulièrement attrayantes, parmi lesquels leur taille faible (de l’ordre du nanomètre, c’est-à-dire du milliardième de mètre) qui permettrait d’augmenter considérablement les densités de stockage des mémoires actuelles (en réduisant la taille des unités élémentaires de stockage), leur faible coût de préparation et leur aptitude à être mises en forme par les méthodes douces de la chimie moléculaire.

Pour qu’une molécule stocke de l’information, elle doit posséder deux états proches en énergie qu’une perturbation extérieure (température, champ magnétique ou électrique, lumière) pourra sélectivement adresser (c’est-à-dire passer d’un état à un autre de façon réversible). Les chercheurs parlent d’un système bistable (ou à deux états) que l’on peut utiliser pour le codage binaire de l’information actuellement réalisé dans les ordinateurs.

Certains composés de coordination [1] sont connus pour présenter de tels comportements. Par exemple, des équipes allemande et suisse ont montré en 1984 qu’une molécule à base d’ion Fe(II) passait d’un état non magnétique (dans lequel tous les électrons sont appariés) à un état magnétique (dans lequel certains électrons sont non appariés) lorsqu’elle était éclairée par une lumière verte (505 nm). Cet effet est parfaitement réversible. En effet, quand le composé est à nouveau éclairé par une lumière rouge (850 nm), il retrouve son état non magnétique initial [2]. Ainsi la lumière joue le rôle de la perturbation et contrôle l’état magnétique de la molécule. Ces systèmes moléculaires présentent donc une bistabilité photo-induite.

En 1993, des équipes italiennes et américaines ont mis en évidence une autre forme de bistabilité moléculaire. Ils ont en effet montré qu’une molécule contenant plusieurs ions manganèse [3] se comportait comme un aimant [4], c’est-à-dire que la molécule conserve une aimantation induite sous champ magnétique (H), même lorsque celui-ci est coupé. Cette molécule possède une structure particulière qui lui confère un axe d’orientation privilégié pour son aimantation. La bistabilité vient ici des deux directions possibles (parallèle et antiparallèle) de l’aimantation sur cet axe qui sont contrôlées par le champ magnétique préalablement appliqué à la molécule. Les chercheurs ont donné le nom de molécules-aimants (ou Single-Molecule Magnet, SMM en anglais) aux systèmes moléculaires présentant ce type de bistabilité magnétique.

Pour la première fois, des chimistes français et américains ont montré qu’une molécule pouvait combiner une bistabilité photo-induite et une bistabilité magnétique. En étudiant la molécule de Fe(II) découverte en 1984,2 ils ont en effet découvert que son état magnétique photo-induit présentait également un comportement de molécule-aimant. Ainsi cette molécule possède trois états : l’état non magnétique (0/OFF), un état magnétique avec une aimantation parallèle à l’axe moléculaire (+1/ON) et un état magnétique avec une aimantation antiparallèle à l’axe moléculaire (-1/ON). La lumière (à 505 ou 850 nm) et le champ magnétique (H) permettent ainsi d’adresser sélectivement chacun de ces trois états comme le montre la figure.

Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour le stockage de l’information du futur. D’une part, la nature moléculaire du système garantit une taille jamais atteinte (1.5 nm de diamètre) pour une unité élémentaire de stockage. D’autre part, la tristabilité du système suggère la possibilité d’utiliser des molécules pour le stockage d’information ternaire en étendant les valeurs possibles des bits à 0, +1 et -1. Ainsi ces composés moléculaires pourraient permettre d’accroître les capacités de stockage des mémoires, à la fois par leur nature chimique et par la richesse de leurs propriétés physiques.

Référence Xiaowen Feng, Corine Mathonière, Ie-Rang Jeon, Mathieu Rouzières, Andrew Ozarowski, Michaël L. Aubrey, Miguel I. Gonzales, Rodolphe Clérac et Jeffrey R. Long
Tristability in a light-actuated single-molecule magnet
Journal of American Chemical Society, 2013, 135, 15880-15884.
DOI : 10.1021/ja407332y

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Contacts chercheurs Rodolphe Clérac, Centre de Recherche Paul Pascal, Bordeaux.
Courriel : clerac@crpp-bordeaux.cnrs.fr
Tél. : 05 56 84 56 50

Corine Mathonière, Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux
Courriel : mathon@icmcb-bordeaux.cnrs.fr
Tél. : 05 40 00 26 82


[1] Un composé de coordination est une molécule qui associe des ions métalliques (Fe, Mn Cu) à des molécules organiques. On les décrit aussi comme des complexes.

[2] (a) S. Decurtins, P. Gütlich, C. P. Kohler, H. Spiering, A. Hauser, Chem. Phys. Lett. 1984, 105, 1-4. (b) S. Decurtins, P. Gütlich, K. M. Hasselbach, A. Hauser, H. Spiering, Inorg. Chem., 1985, 24, 2174-2178.

[3] (a) R. Sessoli, D. Gatteschi, A. Caneschi, M. A. Novak, Nature 1993, 365, 141-143. (b) R. Sessoli, H. L. Tsai, A. R. Schake, S. Wang, J.-B. Vincent, K. Folting, D. Gatteschi, G. Christou, D. N. Hendrickson, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1804-1816.

[4] Un aimant est un matériau qui développe naturellement un champ magnétique et qui est donc capable d’attirer les composés qui possèdent des électrons non appariés comme le fer ou les objets paramagnétiques.