L'effet Invar: une énigme enfin comprise

Pratiquement tous les matériaux, qu'ils soient solides, liquides ou gazeux, se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis. C'est ce qu'on appelle l'expansion thermique. Cependant, une classe d'alliages métalliques, appelés Invars, semble déroger à cette règle. Dans une nouvelle étude, les chercheurs de l'équipe de Brent Fultz, professeur de sciences et de physique appliquée, ont tenté de percer le mystère de cette constance thermique des Invars.


L'expansion thermique survient lorsque les atomes d'un matériau vibrent davantage à mesure que sa température augmente, repoussant ainsi leurs atomes voisins. Cependant, les Invars, alliages de fer et de nickel, résistent à ce changement de taille et de densité sur une large gamme de températures.

Stefan Lohaus, étudiant en sciences des matériaux et premier auteur de l'étude, souligne qu'il est presque inconcevable de trouver des métaux qui ne se dilatent pas. Cette propriété exceptionnelle des Invars en fait des matériaux précieux dans les applications nécessitant une extrême précision, comme la fabrication de pièces d'horlogerie, de télescopes et autres instruments de précision.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé les "relations de Maxwell" pour mesurer indépendamment l'expansion thermique causée par le magnétisme et par les vibrations atomiques. Ils ont fait cela en mesurant les spectres vibratoires et le magnétisme de petits échantillons d'Invar sous pression dans une cellule à enclume de diamant.


Les mesures ont montré une annulation de l'expansion thermique due aux vibrations atomiques et au magnétisme. Les deux phénomènes variaient avec la température et la pression, mais de manière à maintenir leur équilibre. En utilisant une nouvelle approche théorique précise, les chercheurs ont démontré comment cet équilibre était favorisé par les interactions entre les vibrations et le magnétisme.

Le dispositif expérimental consistait en une cellule à enclume de diamant, qui permet de comprimer fortement des échantillons de matériau. Dans ce cas, un petit morceau d'alliage Invar a été comprimé à une pression de 200 000 atmosphères. Les chercheurs ont envoyé un puissant faisceau de rayons X à travers l'alliage, réagissant avec les vibrations (phonons) de ses atomes. Cette interaction a modifié la quantité d'énergie portée par les rayons X, permettant aux chercheurs de mesurer l'ampleur des vibrations des atomes.

"C'est passionnant car cela était un problème en science depuis plus de cent ans", déclare Lohaus. "Il y a littéralement des milliers de publications qui tentent de montrer comment le magnétisme provoque une contraction, mais il n'y avait pas d'explication globale de l'effet Invar."