Exploiting heterometallic lanthanide complexes for technological applications: Quantum Computing, Optical Properties and Magnetic Refrigeration

Abstract

[eng] This thesis explores the design and synthesis of molecular heterometallic lanthanide coordination compounds, highlighting their potential applications in quantum computing, as light-emitting devices, and for magnetic refrigeration. Two molecular systems are developed using β-diketonate ligands, incorporating selectively different lanthanides at distinct sites within the same molecular scaffold. A heterometallic trinuclear [LnLn'Ln] family is introduced, resulting in highly pure molecules. The stability and chemical selectivity of these compounds are validated through experimental techniques as well as theoretical calculations. The [ErPrEr] member of this family demonstrates the necessary requirements to act as a spin-based qubit within a potential molecular quantum gate. Additionally, the optical properties and energy transfer (ET) phenomena are investigated within [YbNdYb] and [ErNdEr] complexes. The [YbNdYb] complex shows efficient Nd-to-Yb ET, while the [ErNdEr] complex represents the first example of intramolecular double ET between Nd(III) and Er(III) metals. Furthermore, [GdLn'] systems are studied to incorporate both qubit and magnetic cooling characteristics within a single molecule. The [GdEr] complex displays the first case of a self- cooling qubit operating at low temperatures. On the other hand, [GdTm] complex shows an energy level structure that limits its efficiency as a self- cooling qubit. Overall, the results obtained in the thesis emphasize the innovative potential of heterometallic lanthanide coordination compounds in advanced or future technologies.

[cat] Aquesta tesi explora el disseny i la síntesi de compostos de coordinació moleculars heterometàl·lics de lantànids, destacant el seu potencial en aplicacions de computació quàntica, dispositius emissors de llum i refrigeració magnètica. S'han desenvolupat dos sistemes moleculars utilitzant lligands β- dicetonat, incorporant selectivament diversos lantànids en diferents llocs dins del mateix esquelet molecular. S’ha presentat una família heterometàl·lica trinuclear [LnLn'Ln], consistent en molècules altament pures. L'estabilitat i selectivitat química d'aquests compostos s’han validat mitjançant tècniques experimentals i càlculs teòrics. El compost [ErPrEr] d'aquesta família mostra els requisits necessaris per actuar com a sistema de tres qubits basats en l’espín, en tant que “molecular quantum gate” potencial. A més, s'han investigat les propietats òptiques i els fenòmens de transferència d'energia (ET) dins dels complexos [YbNdYb] i [ErNdEr]. El complex [YbNdYb] mostra ET eficient de Nd-a-Yb, mentre que el complex [ErNdEr] representa el primer exemple de doble ET intramolecular entre els metalls Nd(III) i Er(III). A continuació, s'han estudiat sistemes [GdLn'] per incorporar tant característiques de “qubit” com de refrigeració magnètica dins d'una sola molècula. El complex [GdEr] presenta el primer cas de “qubit” autorefrigerant operant a baixes temperatures. D'altra banda, el complex [GdTm] mostra una estructura de nivells d'energia que limita la seva eficiència com a “qubit” autorefrigerant. En conjunt, els resultats obtinguts en la tesi emfatitzen el potencial innovador dels compostos de coordinació heterometàl·lics de lantànids en l'avanç de les tecnologies futures.