The prominent features of single molecule magnets (SMMs), such as the quantum tunneling of the magnetization (QTM), are conventionally understood through the giant spin approximation (GSA) which considers the molecule as a single rigid spin. This model often requires the inclusion of high order anisotropy terms in the Hamiltonian, a manifestation of admixing of low lying excited states that can be more naturally understood by employing a multi-spin (MS) description i.e. considering the individual spins and the interactions between ions within the molecule. However, solving the MS Hamiltonian for high nuclearity molecules is not feasible due to the enormous dimensions of the associated Hilbert space that put it beyond the capability of existing computational resources. In contrast, low nuclearity systems permit the complete diagonalization of the MS Hamiltonian required to sample the effect of internal degrees of freedom, such as exchange interactions and single ion anisotropies, on the QTM. This dissertation focuses on the study of low nuclearity SMMs in view of understanding these subtle quantum effects. To accomplish this, we have developed a series of magnetic characterization techniques, such as integrated microchip sensors resulting from the combination of two dimensional electron gas (2DEG) Hall-Effect magnetometers and microstrip resonators, capable of performing measurements of magnetization and EPR spectroscopy simultaneously. The thesis bases on a comparative study of two low nuclearity SMMs with identical magnetic cores (Mn4 dicubane) but differing ligands. Notably, one of these SMMs lacked solvent molecules for crystallization; a characteristic that gives rise to extremely sharp resonances in the magnetization loops and whose basic QTM behavior can be well explained with the GSA. On the contrary, the second SMM exhibited mixed energy levels, making a MS description necessary to explain the observations. We have also examined the role of internal degrees of freedom on more subtle QTM phenomena, leading to the explanation of asymmetric Berry-phase interference patterns observed in a Mn4 SMM in terms of a competition between different intermolecular magnetic interactions, i.e. non-collinear zero-field splitting tensors and intramolecular dipolar iii interactions, resulting in astonishing manifestations of the structural molecular symmetry on the quantum dynamics of the molecular spin.

Dans ce manuscrit, nous présentons d'abord le bloc de construction moléculaire ultime pour les dispositifs de spintronique, les aimants à molécule unique (Chapitre 2). En particulier, nous nous concentrerons sur une molecule de TbPc2 et différentes approches pour sonder son aimantation à l'aide de détecteurs a base de nanotubes de carbone et de mécanismes de couplage différents (flux magnétique, couplage électronique et mécanique). Dans le but de construire un detecteur de torque supramoléculaire capable de sonder le moment magnétique d'un aimant moléculaire, nous allons décrire dans le chapitre 3 un candidat très prometteur, un système nanoélectromécanique (NEMS) à base d'un nanotube de carbone. Nous décrirons d'abord les avantages de NEMS à base de carbone par rapport aux résonateurs classiques à base de silicium. Par la suite, nous présenterons l'état de l'art des NEMS à base de nanotubes de carbone, en nous focalisant en particulier sur deux différents mouvements nanomécaniques, un mode de flexion transverse et un mode de compression longitudinal. Dans le chapitre 4, nous présenterons la mise en oeuvre expérimentale d'un detecteur de torque supramoléculaire basé sur NEMS à nanotubes de carbone et des aimants à molécule unique. Nous décrirons d'abord le processus de fabrication ultra propre et les étapes de la caractérisation d'un NEMS à nanotubes de carbone à températures ambiante et cryogénique. Nous allons ensuite démontrer un procédé de greffage d'une molécule aimants de TbPc2 sur un tel NEMS à nanotube de carbone, qui conserve à la fois les propriétés magnétiques de la molécule et les propriétés mécaniques du résonateur. Dans le chapitre 5, nous allons ensuite procéder à une étude systématique du mode de flexion transverse dans un NEMS à nanotube de carbone. Nous montrerons, que la dissipation de ce mode de vibration induit par l'effet tunnel d'électron unique à travers le nanotube de carbone (considére comme point quantique) dépend essentiellement de l'environnement électronique du nanotube, c'est à dire de la capacité, du couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes métalliqes, du courant et de la température. Les résultats indiquent que l'on pourrait atteindre des facteurs de qualité de 10^6 ou plus en choisissant un diélectrique de grille appropriées et/ou en améliorant le couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes, ce qui permettrait notamment d'augmenter la sensibilité du NEMS nanotubes de carbone par rapport à un torque magnétique générer par le retournement d'un aimant moléculaire. Dans le chapitre 6, nous démontrons la présence d'un mode de vibration longitudinal quantique dans un NEMS à base de nanotube de carbon fonctionnalisé avec des aimants moléculaires de TbPc2. Nous allons en particulier montrer que la nature quantique des deux systèmes, se traduit par un fort couplage entre le mode de compression longitudinal et l'aimantation d'un aimant moléculaire TbPc2 unique greffé sur la parois du nanotube de carbone. Ce fort couplage permet par la suite de détecter les états de spin nucléaire dans la molécule de TbPc2. Enfin, nous présenterons dans la conclusion de ce manuscrit quelques perspectives pour la détection et la manipulation (coherente) d'un seul spin (nucléaire) à l'aide d'un système mécanique quantique. / In this manuscript, we will first present the ultimate molecular building block for spintronic devices, so called single-molecule magnets (Chapter 2). In particular we will focus on a TbPc2 complex and various approaches of probing its magnetization using carbon nanotube detectors and different coupling mechanisms (magnetic flux, electronic and mechanical coupling). With the aim of building a supramolecular torque magnetometer capable of probing the magnetic moment of a molecular magnet, we will describe in Chapter 3 a promising candidate, a carbon nanotube nanoelectromechanical system (NEMS). We will first describe the advantages of carbon based NEMS over classical Si based resonators. Subsequently we will present the state of art of carbon nanotube NEMS and focus in particular on two different nanomechanical motions, a transverse bending mode and a longitudinal stretching mode. In Chapter 4, we present the experimental implementation of a supramolecular torque magnetometer based on carbon nanotube NEMS and single molecule magnets. We first describe the ultraclean bottom-up fabrication process and the extensive characterisation steps of carbon nanotube NEMS at room and cryogenic temperatures. We will finally demonstrate a method of grafting a TbPc2 single molecules magnet on such a carbon nanotube NEMS, that conserves both the magnetic properties of the molecule and the mechanical properties of the resonator. In Chapter 5, we will then perform a systematic study of the transverse bending mode vibration in a carbon nanotube NEMS. We demonstrate for instance, that the dissipation of a carbon nanotube's bending mode vibration to single electron tunneling through the carbon nanotube NEMS-quantum dot critically depends on the dot's electronic environment, i.e. the capacitance, the tunnel coupling to the metal leads, the current and temperature. The findings suggest that one could achieve quality factors of 10^6 or higher by choosing appropriate gate dielectrics and/or by improving the tunnel coupling to the leads, which would notably increase the sensitivity of the carbon nanotube NEMS with respect to a magnetic torque generate by a rotating molecular magnet. In Chapter 6, we demonstrate the presence of a quantized longitudinal stretching mode vibration in a carbon nanotube NEMS functionnalized with TbPc2 single molecule quantum magnets. We will in particular demonstrate that the quantum mechanical nature of both systems, results in a strong coupling between the longitudinal stretching mode and the magnetization of an individual TbPc2 single molecule magnet grafted to the carbon nanotube's sidewall. The strong coupling in fact enables the detection of the nuclear spin states in the TbPc2 molecule. Finally, we present in the conclusion of this manuscript some future prospects for the detection and (coherent) manipulation of a single (nuclear) spin using a mechanical quantum system.