Des aimants sans métal : quand l'organique s'inspire des abeilles express
Les alvéoles des abeilles sont construites à partir de cellules identiques, mais il suffit de modifier légèrement la forme de l'une d'elles pour que toute la structure acquière de nouvelles propriétés. C'est à peu près ce qu'ont fait les chercheurs en créant un aimant sans un seul atome de métal. Ils ont pris des molécules de carbone planes en forme de triangles – les triangulènes – et les ont disposées dans un réseau hexagonal, comme les abeilles construisent leurs alvéoles. Mais au lieu d'une symétrie parfaite, où le triangle peut être tourné de 120 degrés sans changement, ils ont utilisé des molécules à symétrie réduite – comme si l'on avait légèrement froissé le triangle, supprimant les axes de rotation superflus. Cela a brisé la symétrie miroir du cristal, mais a conservé sa structure bipartite – l'alternance de deux types de nœuds.
La clé de l'effet réside dans le recouvrement anisotrope des orbitales pi. Les nuages électroniques des molécules voisines interagissent plus ou moins fortement selon la direction, comme deux aimants qui s'attirent ou se repoussent selon leur orientation. Les calculs ab initio ont montré que l'interaction d'échange atteint -130 meV (une mesure de la force de la liaison magnétique), et la séparation des états électroniques en un point particulier de la zone de Brillouin est de 17 meV. Cela correspond à une symétrie de type onde-d, comme dans les supraconducteurs à haute température. De plus, le système reste un diélectrique avec une bande interdite de 1.26 eV – environ celle d'une LED rouge. Tout cela est en parfait accord avec le théorème de Lieb, qui relie le magnétisme à la topologie du réseau.
Un tel matériau est un composé organique capable de contrôler le courant de spin par un champ électrique, sans craindre les perturbations magnétiques externes. Contrairement à ses homologues métalliques, il est léger, flexible et potentiellement biocompatible. En modifiant la géométrie du triangle, on n'obtient pas simplement un motif, mais un aimant fonctionnel – comme si les abeilles ne construisaient pas seulement leur maison, mais aussi une antenne.
Les triangulènes, qui composent cet aimant, sont des cousins du graphène : leur forme plane et leurs anneaux aromatiques en font des briques idéales pour l'électronique à base de carbone.
Les aimants organiques rappellent la technologie des « cristaux vivants » des romans de China Miéville – des matériaux dont les propriétés sont déterminées non par leur composition, mais par leur géométrie.