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Bouammali, Mohammed-Amine. Etude théorique de l'interaction de Dzyaloshinski Moriya

Bouammali, Mohammed-Amine (2021). Etude théorique de l'interaction de Dzyaloshinski Moriya.

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Résumé en francais

Cette thèse a pour objectif d'étudier l'origine physique du vecteur de Dzyaloshinskii-Moriya connu aussi sous le nom de couplage anisotrope antisymétrique. Cette interaction est souvent invoquée pour expliquer des phénomènes intéressants comme la formation de skyrmions ou encore le couplage magnéto-électrique rencontré dans les matériaux multiferroïques. Notons que les résultats d'un travail sur le Zero-Field Splitting dans des complexes de Fe(II) et dans un complexe de Ni(II) sont aussi reportés dans le manuscrit. Jusqu'à présent, la plupart des études théoriques menées sur le sujet étaient essentiellement phénoménologiques, notamment les travaux de Dzyaloshinskii en 1958 suivis de ceux de Moriya en 1964 qui se sont intéressés à l'importance de la symétrie des matériaux et qui ont relié cette interaction au couplage spin-orbite. Les méthodes de chimie théorique permettent d'accéder à une compréhension plus profonde du phénomène et à une détermination quantitative de cette interaction. Conjuguées à la théorie des hamiltoniens effectifs, elles permettent aussi de valider/invalider les modèles utilisés par les expérimentateurs et les physiciens théoriciens. Après une introduction qui explique les motivations de notre travail, cette thèse présente les méthodes et les programmes utilisés, puis les systèmes auxquels nous nous sommes intéressés, les résultats obtenus et leurs discussions et enfin nos perspectives. Afin de soutenir notre thèse sur l'origine de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya, plusieurs étapes ont été nécessaires. La première consiste à construire des molécules modèles dont la structure électronique se prête à des calculs en temps limité, simples géométriquement et dont les déformations permettent de mettre en évidence les paramètres structuraux qui gouvernent l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya. Ainsi, avons-nous choisi des complexes basés sur deux Cu(II) entourés de ligands monoatomiques, soit des complexes à un seul électron célibataire par centre magnétique. La deuxième étape est consacrée à la dérivation analytique de l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya à partir des fonctions d'onde des états énergétiquement les plus bas et du couplage spin-orbite. Ce travail nous a permis d'identifier les conditions (géométrie et nature des ligands) permettant de produire une interaction particulièrement élevée et de contrôler l'orientation et l'amplitude du vecteur de Dzyaloshinskii-Moriya. Les situations complexes dans lesquelles l'état fondamental est quasi-dégénéré, induisant un couplage spin-orbite du premier ordre, conduisent à des valeurs "géantes" de l'interaction. Elles ont fait l'objet d'une étude détaillée dans laquelle nous montrons les limites du modèle usuel et proposons un modèle alternatif plus approprié. La troisième et dernière étape consiste à vérifier la validité des dérivations à partir des résultats de calculs ab initio corrélés et incluant les effets relativistes, en l'occurrence le couplage spin-orbite. Ces calculs ont tout d'abord été réalisés sur des molécules modèles puis appliqués à une molécule réelle, la seule à notre connaissance pour laquelle une valeur expérimentale de l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya a été extraite. Notons qu'un travail méthodologique dont nous rendons compte dans le manuscrit a été nécessaire pour mener à bien ce travail. Nous montrons en particulier l'importance de la prise en considération des effets de la corrélation sur les fonctions d'onde. Nous proposons aussi une comparaison des possibilités et avantages offerts par les chaînes de programme Orca et Molcas. Nous souhaitons insister sur un résultat particulièrement important pour guider les expérimentateurs vers la synthèse de systèmes présentant une forte interaction de Dzyaloshinskii-Moriya. Nous avons en effet relié son intensité aux coefficients des orbitales moléculaires sur les orbitales d des centres métalliques et donc au champ de ligand et ainsi à la structure du complexe et à la nature des ligands.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Suaud, Nicolas
Guihery, Nathalie
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques (LCPQ), UMR 5626
Mots-clés libres :Anisotropie magnétique - Magnétisme moléculaire - Anisotropie antisymétrique - Dzyaloshinski - Moriya - Molécules aimants - ab initio - Chimie théorique
Sujets :Chimie
Déposé le :16 Nov 2021 09:36