L'énigmatique état magnétique du fer sous pression se dévoile

Publié par Adrien le 09/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
À très haute pression, le fer présente un magnétisme si compliqué à observer que son existence même est controversée. Une équipe de physiciens en a enfin apporté une preuve expérimentale, tout en prédisant une nouvelle phase théorique.


Diagramme de phase du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique...).
On y retrouve la structure cubique et ferromagnétique des conditions ambiantes (violet) et le ε-fer (bleu/vert pour les phases magnétiques, blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on en donne...) pour les phases non magnétiques). Les moments magnétiques désordonnés (bleu) s'arrangent en une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) smectique de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) (vert) en dessous d'une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) critique Tm. Les propriétés supraconductrices du fer apparaissent en dessous de la température Tc.
© Lebert et al.

Le fer, avec ses alliages, constitue la majeure partie du coeur des planètes rocheuses. Son étude dans des conditions de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et de température extrêmes éclaire donc la géophysique. Si le fer cristallise en conditions ambiantes dans une structure cubique, des pressions supérieures à 15 gigapascals (GPa) la transforment en une structure hexagonale et on parle alors de ε-fer. Ce changement dans l'agencement des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) fait perdre au matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) son ferromagnétisme (Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et pour certains (les aimants, matériaux magnétiques durs) de garder une aimantation...), c'est-à-dire son aimantation due à l'alignement des moments magnétiques atomiques. D'autres formes de magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits...) pourraient subsister, mais elles n'avaient jamais été observées.

Dans des travaux publiés dans la revue PNAS, des chercheurs et des chercheuses de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/MNHN/Sorbonne Université), du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...), de l'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français 1872-1946) est un organisme de recherche international, il a été fondé...), de l'Institut de génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et...) et développement de Rennes (IGDR, CNRS/Univ. Rennes 1), du Laboratoire de chimie physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des procédés. En particulier, la description énergétique des...) - matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) et rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) (LCPMR, CNRS/Sorbonne Université) et de l'Institut Néel (CNRS) ont confirmé l'existence d'un état magnétique et précisé sa nature.

Les chercheurs ont étudié le ε-fer avec des mesures de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La...) de neutrons, mais n'ont détecté aucun ordre magnétique global bien qu'il s'agisse de la meilleure méthode pour cela. L'équipe s'est également servie de la spectroscopie d'émission de rayons X, qui cible un magnétisme plus local. À partir de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) longuement accumulées au synchrotron et dont l'analyse a permis d'atteindre une qualité de signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les...) sans précédent, les scientifiques ont montré que l'état électronique du ε-fer était compatible avec la présence d'un moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) local.

Une modélisation du système par la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a...) de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) a prédit l'existence d'une nouvelle phase magnétique, appelée "smectique de spin", dans laquelle l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) relative et la valeur absolue (Un nombre réel est constitué de deux parties: un signe + ou - et une valeur absolue.) des moments magnétiques des atomes fluctuent. Cet état magnétique exotique, où les fluctuations empêcheraient l'établissement d'un ordre magnétique à longue distance, peut réconcilier les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) expérimentales. Le ε-fer possède ainsi un moment magnétique non nul et non ordonné, qui diminue progressivement avec la pression et disparaît au-delà de 30 GPa. Or, cette plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable...) entre 15 et 30 GPa couvre celle où le matériau présente des propriétés supraconductrices: celles-ci pourraient donc être liées au magnétisme à très basse température.

Références

Epsilon-iron as a spin-smectic state.
B. W. Lebert, T. Gorni, M. Casula, S. Klotz, F. Baudelet, J. M. Ablett, T. C. Hansen, A. Juhin, A. Polian, P. Munsch, G. Le Marchand, Z. Zhang, J.-P. Rueff et M. d'Astuto. PNAS, le 23 septembre 2019.
DOI: 10.1073/pnas.1904575116.
Lire l'article sur les bases d'archives ouvertes: arXiv et HAL.
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.333 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique