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Le cuivre devient magnétique grâce au buckminsterfullerène

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Comme son cousin le graphène, le buckminsterfullerène pourrait permettre de développer une nouvelle électronique et offrirait d'autres opportunités. Parmi les applications envisagées avec cette molécule en forme de ballon de football, la dernière en date concerne les matériaux magnétiques. Un groupe de chercheurs vient en effet de montrer que le C60 permet de réaliser des aimants avec du cuivre et du manganèse.

Harold Walter Kroto est un chimiste britannique, colauréat du prix Nobel de chimie de 1996, avec Robert Curl et Richard Smalley, pour sa découverte des fullerènes. Il est notamment célèbre pour avoir mis en évidence le buckminsterfullerène, parfois également appelé footballène, une molécule sphérique en C60 de la famille des fullerènes C2n. Ces structures fermées sont composées de (2n-20)/2 hexagones ainsi que de 12 pentagones. © Harold Kroto, www.kroto.info

Le magnétisme de la matière était déjà connu des Grecs et des Chinois il y a plus de 2.000 ans mais il a fallu attendre les travaux du physicien et mathématicien français Ampère au début du XIXe siècle pour commencer à comprendre l'origine de ce phénomène. Il est juste de dire pourtant que ce n'est qu'avec l'avènement de la mécanique quantique que l'on a vraiment disposé des outils permettant d'expliquer le phénomène de ferromagnétisme des aimants.

Un tournant s'est produit dans les années 1920 lorsque le physicien allemand Ernst Ising a exploré un modèle simple considérant des atomes sur une ligne horizontale, comme des petits aimants. Ce modèle attira un peu plus tard l'attention d'Heisenberg dans ses propres tentatives pour expliquer le ferromagnétisme des aimants et que des théoriciens comme Rudolph Peierls et surtout Lars Onsager qui ont étendu les calculs d'Ising au cas à deux dimensions. À la fin des années 1940 et au début des années 1950, Onsager et Chen Ning Yang concluaient qu'une transition de phase expliquant la magnétisation spontanée au-dessous de la température de Curie d'un aimant apparaissait effectivement dans un model d'Ising à deux dimensions.

La saga de la théorie et des expériences sur les matériaux aimantés continue de nos jours comme le prouvent les travaux en spintronique ou sur les skyrmions. Un des derniers avatars de cette saga se trouve dans un article publié dans Nature par un groupe de physiciens suisses, britanniques et états-uniens.

Ernst Ising, le physicien à l'origine d'un célèbre modèle décrivant les matériaux magnétiques. © th.physik.uni-frankfurt.de

Le fullerène modifie l'état des électrons dans les métaux

Ces chercheurs viennent de montrer comment fabriquer des aimants avec des métaux qui ne sont d'ordinaire pas ferromagnétiques. Rappelons que seuls le sont à température ambiante le fer, le nickel et le cobalt. La recette magique pour réussir une telle prouesse ? Simplement intercaler entre deux couches de cuivre et de manganèse des molécules mythiques, celles du buckminsterfullerène.

Il existe des arguments théoriques pour savoir si des matériaux seront ferromagnétiques ou non. L'un des plus célèbres est le critère de Stoner, du nom du physicien Edmund Clifton Stoner qui l'a découvert en 1938, à l'université de Leeds (Royaume-Uni). Il fait intervenir des caractéristiques de la distribution des électrons dans les couches d'un atome ainsi que des interactions magnétiques entre ces électrons qui se comportent comme des petites toupies aimantées, une comparaison ayant bien sûr ses limites pour ces objets foncièrement quantiques.

Le critère de Storner explique très bien pourquoi le fer est ferromagnétique alors que le manganèse, bien que proche dans le tableau de Mendeleïev, ne l'est pas. Guidés par ce critère, les chercheurs en ont déduit que les molécules de buckminsterfullerène à la surface du cuivre et du manganèse doivent modifier l'état des électrons de ces matériaux et que des propriétés ferromagnétiques à température ambiante devaient apparaître.

Pour tester cette théorie, les physiciens ont commencé par déposer alternativement sur un substrat plusieurs couches épaisses de 15 nm pour les molécules de C60 prises en sandwich entre des couches épaisses de 2,5 nm pour le cuivre et le manganèse. Les expériences ont effectivement montré que le matériau final est bien ferromagnétique.

L'aimantation obtenue est encore faible mais une voie prometteuse est désormais ouverte permettant d'obtenir, en théorie, de nouveaux aimants à partir d'éléments chimiques bon marché. En effet, plusieurs applications modernes des matériaux magnétiques font intervenir des terres rares, ce qui incite à chercher des alternatives. Plus généralement, agrandir la famille des matériaux magnétiques pourrait avoir un impact significatif dans les domaines de la spintronique et des ordinateurs quantiques selon les chercheurs auteurs de cette découverte.

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