Le phénomène mis en lumière par les chercheurs est contre-intuitif : l'augmentation de la température devrait mener à plus d'agitation thermique, et non l'inverse. © rost9, Adobe Stock
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Curiosité physique : des spins magnétiques qui gèlent lorsque la température augmente

ActualitéClassé sous :spin , Physique , antiferromagnétisme

[EN VIDÉO] Tout est quantique : le spin d'une particule dévoilé par une expérience  En physique quantique, le spin est une propriété des particules. Bien qu'il ne possède pas d’équivalent exact à l’échelle classique, on peut l’expliquer en le comparant à la polarisation d'un aimant. Tout est quantique revient en vidéo sur l’expérience de Stern et Gerlach qui a permis de mettre en évidence cette propriété. 

Des chercheurs ont mis en lumière un phénomène physique contre-intuitif : lorsque des atomes de néodyme sont chauffés, leurs spins magnétiques s'alignent, alors qu'ils étaient désordonnés à basse température. Ce devrait être l'inverse.

Le désordre augmente traditionnellement avec la température : celle-ci n'est d'ailleurs qu'un indicateur de ce que l'on appelle l'agitation thermique des particules. Plus on chauffe, plus on donne de l'énergie, et cette énergie se change, entre autres, en mouvement. Mais dans le cas observé par les chercheurs, et décrit dans une étude publiée dans Nature Physicsc'est l'inverse. L'augmentation de la température a apporté une forme d'ordre parmi les atomes qui composent le matériau testé. Ou plus exactement, ce sont les spins magnétiques qui se sont gelés, c'est-à-dire orientés dans le même sens.

Les interactions frustrées des verres de spin

Quel que soit le matériau que l'on scrute en détail, il se compose, à petite échelle, d'atomes, plus ou moins alignés entre eux selon le type de solide. Chaque atome ou particule qui compose ce matériau possède un spin magnétique, une propriété intrinsèque aussi appelée « moment de spin magnétique ». Il caractérise la capacité de la particule à s'aligner avec le champ magnétique environnant. L'interaction des matériaux avec le champ électromagnétique varie selon les atomes qui le composent, et leur organisation. Les matériaux dits ferroélectriques, par exemple, font partie des isolants, et ne conduisent donc pas le courant électrique. En revanche, lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique, les moments dipolaires électrostatiques des atomes qui le composent s'alignent avec ce champ. De la même manière, un matériau ferromagnétique peut s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, donc aligner ses moments magnétiques avec le champ, et conserver ensuite une partie de cette aimantation.

Les verres de spin, matériaux dont il est question dans cette étude, ne sont pas des verres au sens classique du terme. Ils correspondent à des alliages métalliques, des mélanges de métaux, auxquels sont ajoutées quelques impuretés magnétiques : des éléments avec un comportement magnétique différent de celui des autres. Ainsi, avec plusieurs magnétismes différents au sein d'un même matériau, le moment magnétique de spin s'oriente de manière aléatoire. Plus simplement, « ils sont souvent considérés comme des aimants désordonnés », explique l'étude. Ce sont des matériaux dits « frustrés » : chaque atome subit des interactions contradictoires, venant des impuretés ou des éléments de la matrice. Le spin de l'atome ne peut se stabiliser, et se contente alors de varier aléatoirement.

Orientation des moments magnétiques dans un plan monocristallin pour les verres de spin (en haut) et pour les ferromagnétiques (en bas). Les flèches représentent l'orientation des moments magnétiques, les lignes pointillées épaisses – les interactions entre voisins, les lignes pointillées fines – la structure cristalline. © Zureks, Wikimedia Commons

Un phénomène contre-intuitif

Mais le matériau utilisé par les chercheurs est ce qu'ils appellent un « verre de spin auto-induit ». Il est constitué seulement de néodyme, un métal appartenant aux terres rares. Mélangé à du fer, il se comporte comme un aimant. Mais seul, tout est différent, il se comporte comme un verre de spin : les spins y forment comme une « hélice tourbillonnante », explique un communiqué : leur direction change constamment. En cause, « des interactions concurrentes dérivées de la structure du réseau elle-même ; [...] ces interactions d'échange concurrentes conduisent à une multiplicité d'états de basse énergie », qui causent donc une frustration d'orientation de spin. En effet, dans du néodyme pur, les chercheurs ont constaté l'existence de structures hexagonales et cubiques au sein du matériau, au sein desquelles les atomes de néodyme interagissent différemment. Ainsi, « à basse température, les deux aimantations de sous-réseau ont des tendances différentes vers l'ordre magnétique ; c'est-à-dire qu'ils préféreraient deux ordres magnétiques différents. C'est la concurrence entre ces tendances d'ordre qui se traduit effectivement par le comportement du verre de spin », expliquent les chercheurs.

En plus de cette propriété étonnante, une autre étrangeté de ce matériau est son comportement face à la température : lorsqu'il a été chauffé, pour passer de -268 °C à -265 °C, au lieu de s'agiter encore plus, les spins se sont gelés ! Le néodyme est alors passé de l'état de verre de spin à celui de ferromagnétique ! Puis, lorsque la température a diminué, la répartition aléatoire est revenue. « Ce "gel" du motif ne se produit normalement pas dans les matériaux magnétiques, explique Alexander Khajetoorians, co-auteur de l'étude et professeur de microscopie à sonde à balayage à l'Université Radboud. Le comportement magnétique du néodyme que nous avons observé est en fait le contraire de ce qui se passe "normalement". C'est assez contre-intuitif, comme l'eau qui devient un glaçon lorsqu'elle est chauffée. » Ce comportement, très rare dans la nature, existe par exemple dans le sel de Rochelle. Dans ce matériau, il existe deux températures de Curie, c'est-à-dire des températures délimitant sa polarisation permanente. Seulement entre ces deux températures, le sel de Rochelle devient ferroélectrique. Hors de cet intervalle, il n'est que paraélectrique : les moments dipolaires sont présents, mais ne possèdent pas d'orientation privilégiée.

Le néodyme fonctionne à l'envers de la plupart des matériaux magnétiques pour l'orientation des spins magnétiques : désordonnés à basse température, ils s'alignent lorsque le matériau est chauffé. © Radboud University

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