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Une nouvelle famille de quasicristaux magnétiques

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En cherchant à mieux comprendre les propriétés magnétiques des quasicristaux, une équipe de physiciens du Ames Laboratory a découvert une nouvelle famille de ces curieux objets. Il s'agit de quasicristaux en phase icosaédrique à base de terres rares, comme le gadolinium, et de cadmium.

Sur cette image on voit des dodécaèdres formant la phase icosaèdrale des quasicristaux magnétiques découverts par les chercheurs. © Ames Laboratory

Les quasicristaux fascinent les physiciens et les mathématiciens depuis environ trente ans. C'est vers le milieu des années 1970 que le grand mathématicien et physicien théoricien anglais Roger Penrose a montré que des pavages ordonnés apériodiques et de symétrie quinaire étaient possibles.

Sa découverte permettait d'imaginer que des sortes de réseaux cristallins quasipériodiques, avec une symétrie d'ordre 5, pouvaient exister dans la nature. Un véritable réseau périodique avec cette symétrie est toutefois mathématiquement impossible, et le pavage de Penrose était seulement considéré comme une curiosité mathématique intéressante. Il devint rapidement célèbre en 1977, lorsque Martin Gardner l'a popularisé.


À l'occasion de son passage à Paris pour une conférence exceptionnelle au Palais de la découverte, le prix Nobel de chimie 2011 Daniel Shechtman a accordé un long entretien. © universcienceTV-YouTube

Une découverte niée par Linus Pauling

Mais en 1982, le physicien Dan Shechtman, spécialisé en métallurgie, découvre dans un alliage métallique que les atomes y étaient assemblés d'une façon qui défiaient les règles connues à l'époque, mais pas celles des pavages de Penrose. Il publie sa découverte en 1984 et subit aussitôt les foudres d'un prix Nobel de chimie légendaire, Linus Pauling. En revanche, ce ne fut pas la réaction de Paul Steinhardt et Dov Levine, qui forgèrent même le mot quasicristaux pour désigner les structures observées aujourd'hui dans différents matériaux.

Il n'en reste pas moins que la découverte de Shechtman, qui lui vaudra le prix Nobel de chimie en 2011, sera longtemps considérée avec incrédulité aux États-Unis. Ce ne sera pas le cas en Europe et particulièrement en France, où de nombreuses recherches sur les quasicristaux verront le jour.

Les temps ont heureusement bien changé, comme le prouve un article publié dans Nature Materials par un groupe de physiciens du solide du Ames Laboratory. Ils ont eu l'idée de chercher de nouveaux quasicristaux dans ce qu'on appelle des approximants cristallins de ces quasicristaux. Il s'agit de matériaux dotés de véritables structures cristallines périodiques, similaires à celles des quasicristaux formées de paquets d'atomes analogues.

Le pavage d'un plan non périodique imaginé par Penrose : il a quelque chose de régulier et pourtant ne se répète pas. On remarque la symétrie d'ordre 5. © Ianiv Schweber

Des quasicristaux aux propriétés encore méconnues

Les quasicristaux ont des propriétés paradoxales par rapport à celles des cristaux. On cherche depuis longtemps à mieux connaître et comprendre leurs propriétés magnétiques. C'est parce qu'ils pensaient que certains quasicristaux magnétiques devaient se former aussi dans des approximants magnétiques à base de cadmium et de terres rares, que les physiciens ont dans un premier temps synthétisé ces cristaux. Ils ont ensuite cherché à y découvrir des quasicristaux en utilisant des faisceaux de rayons X diffractés.

Des quasicristaux dit binaires en phase icosaédrique à base de terres rares comme l'yttrium et le scandium, et d'un métal, le cadmium, ont effectivement été trouvés mêlés à leurs approximants de compositions chimiques similaires. Ces quasicristaux possédaient aussi des propriétés magnétiques comme l'on s'y attendait. Mais au lieu de l'ordre magnétique observé dans leurs approximants, c'est un comportement du type de celui des matériaux magnétiques connus sous le nom de verres de spin qui a été découvert par les physiciens. Rappelons que les verres de spin sont des systèmes magnétiques dans lesquels les interactions entre les atomes sont aléatoirement de signe ferromagnétique ou anti-ferromagnétique, comme dans les milieux magnétiques classiques du même nom.

Selon l'un des auteurs de la découverte, Alan Goldman : « Cette découverte des quasicristaux magnétiques binaires nous donne un moyen de faire une meilleure comparaison des propriétés structurales et magnétiques entre un quasicristal et son approximant périodique. C'est particulièrement excitant ». Reste à savoir s'il sortira des applications technologiques révolutionnaires de ces quasicristaux magnétiques.

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