La Dra. Elena Bartolomé acaba de publicar l’article titulat “Origin of the unusual ground-state spin S=9 in a Cr10 single-molecule magnet” al Journal of the American Chemistry Society (JACS), una de les revistes més prestigioses en l’àrea de Química amb un índex d’impacte IF-16.38.

Aquest treball ha estat possible gràcies a una llarga i fructífera col·laboració multidisciplinària entre científics nacionals i internacionals: en Dr. J. Rubín, Dr. A. Arauzo, Dr. F. Bartolomé i Prof. J. Bartolomé de la Universidad de Zaragoza-Instituto de Ciencia y Nanomateriales de Aragón (INMA-CSIC); en Dr. J. Luzón, del CUD-Zaragoza; en Dr. F. Sedona, Dr. M. Rancan i Prof. L. Armelao, de la Universitat de Pàdua, i la Dra. E. Garlatti de la Universitat de Parma (Itàlia); la Dra. T. Guidi del ISIS labortory (UK); els Drs. F.Wilhelm i Dr. A. Rogalev del sincrotró ESRF de Grenoble; el Dr. A. Amann i Dr. S. Spagna de l’empresa Quantum Design.

Les rodes moleculars magnètiques són una subclasse d’imants moleculars molt interessants per les seves  propietats magnètiques intrínseques, com a sistemes de referència per la recerca de fenòmens quàntics macroscòpics coherents, i per la seva potencial aplicació en el processament d’informació quàntica. A més, la geometria plana i alta simetria de les molècules cícliques les fa atractives per al dipòsit sobre substrats, un pas crític en el camí cap a la fabricació de dispositius.

La roda molecular [Cr10(OMe)20(O2CCMe3)10], abreujada {Cr10}, és un cas rar entre les rodes basades en un nombre parell de metalls 3d, que solen presentar un estat fonamental antiferromagnètic (AF) (S = 0), ja que presenta un espí intermedi completament inusual (S = 9) i una  anisotropia no negligible, D/kB = -0.045 (2) K.

En aquest treball, s’ha aconseguit desvelar l’origen de l’espí S=9 en el {Cr10} que prové dels detalls més fins de l’estructura química de la roda, que donen lloc a una estructura d’interaccions d’intercanvi molt poc comuna. La resolució d’aquest problema ha estat possible gràcies a un estudi molt detallat de les propietats magnètiques de la roda, combinant diferents tècniques experimentals (magnetometria del monocristall, capacitat calorífica, dispersió de neutrons inelastics, XANES i XMCD, susceptibilitat ac fins a molt baixa temperatura de 0,1K) amb amplis càlculs numèrics de diferents tipus (ab initio, DFT, càlculs de Monte Carlo).

Les mesures de magnetometria angular realitzades en monocristall van confirmar el comportament anisòtrop axial del {Cr10}, (Figura 2, esquerra). Per a mostres en pols, la corba de χT(T) va demostrar un comportament general de l’anell ferromagnètic (FM) fins a T=1.8 K però, en canvi, la corba de magnetització M(H) no saturà als 30 μB/fu esperats per deu ions Cr3+ d’espí Si=3/2 espín acoblats FM, sinó a un valor molt inferior, corresponent a un espí total S=9 (Figura 2, dreta).

Aquests resultats es van poder racionalitzar utilitzant un model magnètic, que inclou l’anisotropia del clúster, en què la roda {Cr10} està formada per dues semirodes, cadascuna amb quatre spins Cr3+ acoblats FM (JFM/kB = 2.0 K), separats per dos ions Cr3+  acoblats AF asimètricament (J23/kB = J78/kB = -2,0 K; J34/kB = J89/kB = -0,25 K), Figura 3.

Aquest model d’acoblament tan singular sorgeix de l’asimetria en les interaccions que es produeix a causa de petites distorsions en els angles dels ponts alcoxi Cr−O−Cr que acoblen els ions Cr3+, tal com demostren els càlculs ab initio i DFT, mentre que l’anisotropia total del clúster es pot correlacionar amb les anisotropies individuals calculades per cadascun dels ions Cr3+ de la roda, Figura 4.

Les mesures d’Inelastica Neutron Scattering (INS) van permetre confirmar el model d’acoblament proposat, que dona lloc a un estat fonamental amb espí total S = 9 I un primer estat excitat S = 8 (Figura 5, esquerra).

Finalment, mitjançant mesures de susceptibilitat ac fins a 0.1 K es va comprovar que el {Cr10} es comporta com a imant molecular, amb una energia d’activació de U/kB = 4,0 (5) K en absència de camp aplicat (Figura 5, dreta).