Un système magnétique où ordre et désordre se superposent
Publié par Redbran le 01/07/2016 à 12:00
Source: CNRS-INP

Illustration: CNRS
Des physiciens ont pour la première fois réalisé un système magnétique où l'ordre et le désordre sont superposés au point que chaque aimant élémentaire se trouve à la fois dans la phase ordonnée et dans la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) désordonnée.

Dans de rares situations, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) peut se trouver dans un état à la fois ordonné comme un solide cristallin et désordonné comme un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...). C'est par exemple le cas de l'état supersolide où coexistent un solide et un superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il, John F. Allen et A. Don Misener, avec...). Toutefois, malgré la nature quantique de cet état, ordre et désordre ne sont pas superposés. Comme dans un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.), ils ne font que coexister, chaque atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) contribuant soit à l'une soit à l'autre des phases. Pour la première fois, des physiciens – expérimentateurs et théoriciens – provenant de deux laboratoires français, 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...) Néel (CNRS/Grenoble INP/Univ. Grenoble Alpes) et l'Institut Jean Lamour (CNRS/Univ. Lorraine), et d'une équipe italienne (Italienne est le nom communément utilisé pour le cordage servant a manœuvrer un enrouleur. Il s'enroule sur un tambour quand on déroule la voile, et on tire dessus pour enrouler la voile.) viennent de réaliser un état magnétique où ordre et désordre se superposent intimement, de sorte que chaque nano-aimant élémentaire contribue aux deux phases. Il s'agit d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un...) bidimensionnel d'îlots nanométriques de gadolinium et de cobalt de taille synthétisés et organisés par lithographie selon la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) dite de Kagomé. La comparaison des mesures réalisées au synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) Elettra de Trieste (Italie) à des simulations numériques a permis aux chercheurs de mettre en évidence ce nouvel état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est « une région de l'espace des paramètres thermodynamiques du système dans...) dans lequel l'ordre et le désordre coexistent. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.

Pour réaliser ce système, les physiciens ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord déposé sur un substrat de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) une mince couche de tantale. Ils ont ensuite réalisé par lithographie des îlots de gadolinium et de cobalt puis recouvert le tout d'une fiche couche de ruthénium. Les 342 îlots ainsi déposés, de formes elliptiques et de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) caractéristiques 500x100x10 nm3, sont organisés selon une géométrie dite de Kagomé, c'est-à-dire un réseau de triangles connectés par leurs sommets. L'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) de forme de ces îlots garanti que leur aimantation, nécessairement alignée selon le grand axe (En géométrie, le grand axe d'une ellipse est un paramètre utilisé pour décrire la dimension de cette conique. Le demi-grand axe est la moitié du grand axe.) de l'ellipse, ne peut prendre que deux directions ('up' ou 'down') le long de cet axe. En outre, alors que l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) magnétique favorise 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) ;) tête bêche de deux voisins, l'organisation (Une organisation est) en triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de « triangle » est...) assure qu'au moins deux des sommets pointent dans une même direction, et se trouvent donc dans une configuration défavorable. Le réseau est dit frustré.

Afin de "préparer" ces réseaux dans des configurations 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 électrique....) représentatives de leur variété de basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (voire de leur état fondamental), ces systèmes sont d'abord chauffés à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) suffisante pour faire disparaitre leur aimantation, puis refroidis afin de faire revenir le 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 magnétisables, sont...) dans une configuration d'énergie minimale et de geler cette configuration. Les configurations de spin obtenues sont alors imagées à l'aide d'un faisceau de rayons X absorbé différemment par les deux états magnétiques des îlots. Ceci permet de former une image magnétique du réseau considéré avec une résolution spatiale de l'ordre de 20 nanomètres en collectant les électrons secondaires émis lors de l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) dans la colonne d'un microscope électronique. Une analyse de Fourier de ces cartes magnétiques a alors permis aux chercheurs de mettre en évidence la coexistence des phases ordonnées et désordonnées. La phase ordonnée apparaît sous la forme de pics de Bragg magnétiques alors que la phase désordonnée apparaît comme un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) diffus mais structuré, c'est-à- dire que ce désordre n'est pas l'analogue d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...), mais plutôt celui d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Ces signatures dans l'espace réciproque (La réciproque est une relation d'implication.) ont été identifiées par l'étude théorique d'un modèle de spins et des simulations numériques de type Monte- Carlo.

Les résultats expérimentaux correspondent à ces prédictions théoriques, ce qui permet d'affirmer que ce qui a été observé est bien un nouvel état de la matière, magnétique, et qu'il correspond à la fragmentation du degré de liberté (La notion de degré de liberté recouvre plusieurs notions en sciences et ingénierie :), c'est-à-dire au fait que chaque aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières comme d'exercer une...) appartient à la fois à la phase ordonnée et à la phase désordonnée. La compréhension des ingrédients de base nécessaires à l'apparition de ce phénomène a ensuite permis aux chercheurs de le reproduire dans d'autres systèmes, à base de Permalloy, un alliage de 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 le plus courant dans la vie...) et de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), qu'ils ont cartographié par imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) magnétique.


Analyses dans l'espace de Fourrier de simulations Monte-Carlo et d'une image de configurations magnétiques. Les cercles rouges et noirs entourent des pics de Bragg associés à un ordre à grande distance et au processus de fragmentation du magnétisme. Illustration: CNRS
Pour plus d'information voir:
Fragmentation of magnetism in artificial kagome dipolar spin ice
B. Canals, I.-A. Chioar, V.-D. Nguyen, M. Hehn, D. Lacour, F. Montaigne, A. Locatelli, T. Onur Mente, B. Santos Burgos et N. Rougemaille
Nature Communications, le 13 mai 2016

Contact chercheur:
Benjamin Canals, chercheur CNRS - Institut Néel)
François Montaigne, professeur à l'Université de Lorraine (L’université de Lorraine est un regroupement d’établissements d’enseignement supérieur et de recherche de Nancy et de Metz. Il s’agit d’un pôle de recherche et d'enseignement...) - Institut Jean Lamour
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