Effet Ciss observé pour la première fois dans une molécule isolée

Pour la première fois, des chercheurs ont observé un phénomène mystérieux connu sous le nom d’effet de sélectivité de spin induit par la chiralité (Ciss) dans des molécules isolées – non attachées à des substrats ou à des électrodes solides. «(Cette) expérience vérifie que l’effet (Ciss) résulte uniquement de la chiralité du système», explique Ron Naaman de l’Institut Weizmann en Israël, qui a découvert l’effet Ciss à la fin des années 90. Naaman, qui n’a pas participé aux nouveaux travaux, affirme que les résultats « révèlent le mécanisme de l’effet Ciss » et pourraient avoir des applications directes dans l’informatique quantique, la production d’énergie et l’éclairage efficace.

«Lorsque nous mesurons la direction du spin par rapport à un champ magnétique externe, elle ne peut avoir que deux valeurs, avec ou contre le champ», explique Michael Wasielewski de l’université Northwestern, aux États-Unis, qui a dirigé le projet. «Si des électrons se déplacent à travers un matériau chiral (…), une seule des directions de spin est transmise, tandis que l’autre est inhibée», ajoute-t-il. « Si le matériau est à l’opposé, l’effet est inversé. » Cet effet, connu sous le nom de Ciss, établit un lien étroit entre le mouvement de spin et de charge et a donc de fortes implications sur les propriétés macroscopiques. «Cela pourrait avoir des implications importantes pour la biologie, ainsi que pour les matériaux destinés à l’information quantique et à l’énergie», ajoute Wasielewski.

L’équipe de Wasielewski a synthétisé des molécules contenant trois composants : un donneur d’électrons photosensible, un pont chiral et enfin un accepteur d’électrons. «Une courte impulsion laser a excité le donneur… et un électron a ainsi été transféré du donneur à l’accepteur via le pont», explique Naaman. Le transfert d’électrons a été surveillé à l’aide d’une spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) résolue dans le temps, qui a donné des spectres pour chacun des énantiomères du pont.

Ces mesures sont particulièrement difficiles car les chercheurs doivent générer un état excité de la molécule avec séparation des charges dans lequel le transfert d’électrons est « suffisamment lent » pour (mesurer) par EPR, explique Jeanne Crassous, expert en systèmes chiraux basé à l’Université de Rennes en France. «(C’était) une bonne idée de profiter d’un cristal liquide pour fixer l’orientation de la molécule chirale à basse température», ajoute-t-elle. «En orientant (chaque) énantiomère dans un cristal liquide et en appliquant un champ magnétique dans deux directions opposées, ils ont trouvé des épaulements différents dans la forme de l’EPR.» Cependant, dans les expériences de contrôle portant sur des molécules dotées d’un pont achiral, aucun changement n’a été observé. « (Cela) démontre que le transfert d’électrons dépend de la chiralité de la molécule. »

Jusqu’à présent, « tous les exemples de l’effet Ciss impliquaient essentiellement la fixation de molécules chirales sur des métaux ou des surfaces semi-conductrices », explique Stefano Carretta, de l’Université de Parme, en Italie, qui a codirigé l’étude. «Nous démontrons directement pour la première fois que Ciss est une propriété intrinsèque du mouvement des électrons au sein des molécules elles-mêmes, indépendamment de l’implication des interfaces ou de la fixation aux substrats», ajoute-t-il. « Cela est crucial pour comprendre le phénomène et mettre en œuvre des applications possibles. »

Étant donné que les spins électroniques dans les molécules magnétiques pourraient trouver des applications en tant que qubits, Ciss pourrait être exploité dans des applications informatiques quantiques. «Il est intéressant de noter que Ciss est très efficace même à température ambiante, ce qui ouvre la possibilité d’augmenter la température de fonctionnement des qubits moléculaires», explique Carretta.

D’autres applications incluent les diodes électroluminescentes organiques (OLED) et la biocatalyse. «Les OLED basées sur Ciss émettent une lumière polarisée circulaire… (ce qui) pourrait permettre la production de dispositifs beaucoup plus efficaces», explique Naaman. « Ciss (pourrait) expliquer pourquoi la chiralité a été conservée de manière si persistante tout au long de l’évolution, (présente) dans toutes les formes de vie », ajoute-t-il.

Crassous pense également que les effets Ciss pourraient sous-tendre certains aspects importants de la biologie. « La nature a choisi des molécules chirales pour remplir certaines fonctions biologiques de manière très efficace », dit-elle, soulignant que les effets Ciss pourraient expliquer l’efficacité des processus enzymatiques et biologiques impliquant des transferts d’électrons. « Il y a encore beaucoup de choses à découvrir et à comprendre !