Etude femtoseconde rayons X et optique de la dynamique ultrarapide de photocommutation de matériaux moléculaires magnétiques – FEMTOMAT

Ce projet vise à mettre en place les fondations d'une science du contrôle des molécules et des matériaux pour commuter avec la lumière leurs propriétés physiques (magnétiques, optiques...) sur des échelles de temps ultra-rapides.
L'Institut de Physique de Rennes (IPR, Partenaire 1) joue un rôle majeur dans ce champ émergent de la dynamique structurale ultra-rapide des transitions de phases photoinduites, représentant une avancée en science des matériaux. Ce projet à l'interface physique-chimie doit avoir des conséquences directes pour le développement de nouvelles technologies utilisant la lumière, si nous pouvons comprendre comment contrôler les matériaux.
Ceci nécessite des analyses expérimentales avancées en science ultra-rapide, puisque les réorganisation moléculaires jouent un rôle clef dans la stabilisation de l'état photoinduit. Nous installerons une expérience d'absorption X femtoseconde sur la source bétatron du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, Partenaire 2), particulièrement adaptée aux cas scientifiques étudiés ici.
Ce projet de recherche se focalise sur les matériaux moléculaires bistables ou multi-stables, formés de centres métalliques possédant différents états de spin. Les matériaux à spin-crossover et les Analogues du Bleu de Prusse développés à l'ICMMO (partenaire 3) et l'ICMCB (partenaire 4) sont des systèmes photo-magnétiques prototypes. La littérature riche autour de ces matériaux concerne principalement la réponse à une excitation laser continue, où les mécanismes fondamentaux sont cachés dans une moyenne statistique, rendant inaccessibles les mécanismes élémentaires à l'échelle moléculaire. Les rares études ultra-rapides concernent les molécules en solution, où le principe général du croisement inter-système a été établi. Mais ce processus impliquant un couplage entre les degrés de liberté électroniques et structuraux n'est pas vraiment compris ni contrôlé. De plus, dans les solides le milieu constitué de molécules commutables est actif. Nous voulons tirer avantage des interactions entre molécules for obtenir des réponses efficaces. Nous avons observé récemment, à l'aide d'XAS au X-FEL et de spectroscopie optique, que la stabilisation de l'état photo-excité implique plusieurs phonons intramoléculaires et qu'une réponse coopérative prend place aux échelles ultra-rapides, où un photon transforme plusieurs molécules durant le processus de relaxation. Afin de comprendre les aspects universels et spécifiques de ces processus, nous étudierons une riche variété de systèmes pour lesquels les origines du photo-magnétisme diffèrent:
-les matériaux spin-crossover: nous avons observé des échelles de temps assez différentes pour des composés de Fe(II) et Fe(III) (50-250 fs). Ceci est certainement associé à différents couplages électron-phonon ou phonon-phonon car plusieurs modes sont impliqués.
-les matériaux Ligand-Driven light-induced spin change: le but est de contrôler l'état magnétique sur des échelles ultra-rapides via une modification du Ligand. Rien n'est connu sur ces processus, où l'énergie n'est pas déposée sur le centre métallique mais sur le Ligand.
-les analogues du bleu de Prusse, où le changement d'état magnétique est piloté par le transfert d'électron entre deux sites métalliques et accompagné du relaxation structurale.
Ces cas scientifiques nécessitent de développer l'état de l'art des techniques ultra-rapides, sensibles aux changement d'état électroniques et structuraux:
- Diffraction et absorption X femtoseconde sur X-FEL (LCLS) et sur une source de laboratoire (Betatron au LOA)
- spectroscopie optique 10 fs et IR à l'IPR

Ces retour d'analyses aiderons les chimistes à construire des matériaux plus efficaces puisque les paramètres de contrôle seront identifiés. Ce financement est un essentiel pour soutenir une activité de recherche en France autour du champ extrêmement compétitif au niveau mondial des transitions de phases photoinduites et de la science structurale ultra-rapide.