Quand un aimant frustré n’arrive pas à se décider sur la façon de s’ordonner

Single-crystal neutron diffraction reveals competing forms of magnetic order in the kagome mineral clinoatacamite.

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Quantique

Un simple triangle peut suffire à perturber l'ordre magnétique. Lorsque des atomes magnétiques sont disposés sur un réseau de triangles partageant leurs sommets, ils peuvent se retrouver dans une situation impossible : les moments magnétiques voisins peuvent préférer pointer dans des directions opposées, mais sur un triangle, ils ne peuvent pas tous satisfaire cette préférence en même temps. Ce phénomène, connu sous le nom de frustration magnétique, peut empêcher un matériau de s'établir dans un état magnétique simple et donner naissance à des comportements quantiques inhabituels.

La clinoatacamite, $\text{Cu}_2\text{Cl}(\text{OH})_3$, présente un réseau kagomé distordu, dans lequel les atomes magnétiques forment un ensemble de triangles partageant leurs sommets. Elle est étroitement apparentée à l'herbertsmithite, l'un des candidats les plus connus au statut de liquide de spin quantique – un état insolite qui fascine les physiciens depuis des décennies, où les spins demeurent fortement corrélés par des effets quantiques sans se figer dans une structure ordonnée classique, même à des températures extrêmement basses. Mais contrairement à l'herbertsmithite, la clinoatacamite développe un ordre magnétique à longue portée en deçà de 18,1 K. Ce qui s'y produit exactement en dessous de cette température est resté une énigme pendant des décennies, différentes expériences semblant fournir des résultats contradictoires.

Aujourd'hui, une combinaison de mesures complémentaires et de diffraction des neutrons sur monocristal, comprenant des mesures réalisées sur les instruments D10 et D10+ à l'ILL, a mis en évidence une succession d'états magnétiques distincts. Les résultats démontrent que la distorsion ne se contente pas de supprimer la frustration magnétique : au contraire, différentes manières d'organiser les spins demeurent en compétition et peuvent même coexister sur une partie de la plage de températures.

Pourquoi les triangles rendent le magnétisme complexe

Le comportement magnétique d'un matériau provient de ses atomes, qui portent de minuscules moments magnétiques liés à une propriété quantique de leurs électrons appelée le spin. Une façon de se le représenter consiste à imaginer chaque spin comme une petite flèche. Dans certains matériaux, les spins voisins peuvent pointer dans la même direction. Dans d'autres, ils préfèrent pointer dans des directions opposées. Ces derniers sont appelés des antiferromagnétiques.

Sur une simple chaîne, cela ne pose aucune difficulté : un spin peut pointer dans un sens, le suivant dans l'autre, et le motif peut ainsi se poursuivre. Sur un triangle, en revanche, satisfaire deux voisins crée immédiatement un problème pour le troisième. Aucune disposition ne permet de satisfaire simultanément l'ensemble des trois interactions.

Au sein d'un réseau kagomé, où de tels triangles sont reliés entre eux pour former une structure étendue, ce problème se répète dans tout le matériau. De nombreuses configurations de spins différentes peuvent alors posséder des énergies très proches, ce qui rend difficile pour le système le choix d'un état unique.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les matériaux à réseau kagomé sont devenus essentiels dans la recherche de liquides de spin quantiques — des états insolites dans lesquels les spins restent fortement corrélés tout en évitant un ordre magnétique classique à longue portée, même à très basse température.

L'herbertsmithite, $\text{ZnCu}_3(\text{OH})_6\text{Cl}_2$, en est l'un des candidats les plus emblématiques. La clinoatacamite appartient à la même famille, mais avec une différence majeure : son réseau kagomé est distordu et des ions cuivre magnétiques supplémentaires se situent entre les couches kagomé.

Ces différences exercent une influence profonde sur son magnétisme. Contrairement à l'herbertsmithite, la clinoatacamite ne reste pas désordonnée sur le plan magnétique lorsqu'elle est refroidie. En dessous de 18,1 K, elle développe un ordre magnétique à longue portée. La nature exacte de cet état ordonné est toutefois restée floue pendant des décennies.

fig clinoatacamite kagome bonds mag — Figure 1. La structure kagomé distordue de la clinoatacamite. Les ions cuivre bleu clair et bleu foncé forment le réseau de triangles partageant leurs sommets caractéristique d'un réseau kagomé, tandis que les ions cuivre verts se situent entre ces couches. Les flèches rouges indiquent la direction des moments magnétiques dans l'état ordonné à basse température.

Ces différences ont un effet profond sur son magnétisme. Contrairement à l'herbertsmithite, la clinoatacamite ne reste pas désordonnée sur le plan magnétique lorsqu'elle est refroidie. En dessous de 18,1 K, elle développe un ordre magnétique à longue portée. Cependant, la nature exacte de cet état ordonné est restée floue pendant des décennies.

Une énigme magnétique de longue date

On sait depuis longtemps que la clinoatacamite subit une transition magnétique à 18,1 K. Mais les expériences antérieures ne s'accordaient pas sur ce qui se passait en dessous de cette température.

Des mesures utilisant des muons – des particules qui agissent comme des sondes locales très sensibles du magnétisme – ont indiqué qu'un ordre magnétique à longue portée s'installe en dessous de 18,1 K. Pourtant, les expériences de diffraction des neutrons sur des échantillons en poudre n'ont détecté les réflexions magnétiques associées à l'état ordonné connu qu'en dessous de 6 à 7 K environ. Pourquoi une sonde microscopique détecterait-elle un ordre à longue portée à des températures où une autre ne le ferait apparemment pas ?

La nouvelle étude a abordé cette question en utilisant des monocristaux naturels de clinoatacamite ainsi que plusieurs techniques complémentaires. Des mesures de capacité thermique, de susceptibilité magnétique et des expériences sur les muons ont confirmé que plusieurs changements magnétiques se produisent lors du refroidissement du matériau, mais c'est la diffraction des neutrons sur monocristal qui a révélé comment la structure magnétique elle-même évolue.

Des mesures en fonction de la température sur D10+ à l'ILL ont révélé des réflexions magnétiques caractéristiques d'un premier type d'ordre entre 18,1 et 6,4 K. En dessous d'environ 6,4 K, un second ensemble de réflexions magnétiques apparaît, correspondant à l'ordre à basse température observé lors d'expériences antérieures sur des poudres. Fait crucial, les deux signatures coexistent entre environ 6,4 et 4,6 K, avant que celle de plus haute température ne disparaisse.

clinoatacamite temperature dependence neutrons d10+ — Figure 2. Trois régimes magnétiques dans la clinoatacamite. La diffraction des neutrons sur monocristal en fonction de la température sur D10+ suit deux réflexions magnétiques qui servent de signatures à différentes formes d'ordre magnétique. Leurs intensités variables révèlent trois régimes : l'un entre 18,1 et 6,4 K, une région intermédiaire entre 6,4 et 4,6 K où les deux signatures magnétiques sont présentes, et un régime de basse température en dessous de 4,6 K. Des lignes en pointillés marquent les frontières entre les trois régions.

Ceci résout le désaccord de longue date entre les mesures antérieures par muons et par neutrons : il y a bien un ordre magnétique à longue portée en deçà de 18,1 K, mais la forme de cet ordre change avec la température.

Les neutrons révèlent la frustration à un autre niveau

L'élucidation de ces trois régimes magnétiques a permis de résoudre l'énigme expérimentale de longue date, mais elle a soulevé une question plus profonde : pourquoi la clinoatacamite passe-t-elle par plusieurs formes distinctes d'ordre magnétique au lieu de se stabiliser dans un état unique ?

Un indice important provient du régime de plus basse température. À l'aide de l'instrument D10 à l'ILL, les chercheurs ont mesuré en détail le diagramme de diffraction magnétique à 1,7 K. L'utilisation d'un monocristal leur a permis de mesurer avec précision plusieurs faibles réflexions magnétiques qui avaient été difficiles à observer lors des expériences précédentes sur poudres.

La structure obtenue a révélé une surprise de taille. Même cet état ordonné ne peut pas être décrit par un simple motif collectif unique de spins. Au contraire, il combine deux manières distinctes d'organiser le magnétisme, connues sous le nom de modes d'ordre magnétique, qui possèdent des symétries différentes.

Cela fournit une piste pour comprendre la séquence complexe d'états magnétiques observée lors du refroidissement du matériau. Dans un antiferromagnétique kagomé idéal, la frustration naît du fait que de nombreuses configurations de spins individuels peuvent présenter des énergies similaires. Distordre le réseau réduit cette liberté et l'on pourrait donc s'attendre à ce qu'il favorise une forme d'ordre particulière.

Cependant, dans la clinoatacamite, les auteurs suggèrent que la compétition persiste à un autre niveau. Différentes manières collectives d'organiser les spins restent très proches énergétiquement et peuvent entrer en compétition ou se mélanger. Les physiciens décrivent cette situation, dans laquelle plusieurs états ordonnés possibles sont sur le point de devenir stables, comme multicritique. Leur analyse théorique suggère que les différentes symétries des deux modes leur permettent de se mélanger, produisant potentiellement des textures magnétiques plus complexes et variant dans l'espace.

Les trois régimes magnétiques et le caractère mixte de l'état à basse température pointent ainsi vers une même vision d'ensemble : la distorsion n'a pas simplement supprimé la frustration du réseau kagomé. Au contraire, elle semble l'avoir transformée, passant d'une compétition entre spins individuels à une compétition entre différentes manières pour l'ensemble du système magnétique de s'ordonner.

Référence

L. Stödter, C. Kastner, H. O. Jeschke, M. Reehuis, E. Chan, M.-H. Lemee-Cailleau, K. Beauvois, B. Ouladdiaf, F. Yokaichiya, F. Bert, T. J. Hicken, J. A. Krieger, H. Luetkens, J. L. Allen, R. Feyerherm, M. Tovar, D. Menzel, A. U. B. Wolter, B. Büchner, K. C. Rule, F. J. Litterst, U. K. Rößler, et S. Süllow, Competing Ordering Modes in the Distorted Quantum Kagome Material Clinoatacamite Cu2Cl(OH)3. Physical Review Letters (2026). 10.1103/xmh8-68vk

Instrument ILL : D10+
Personne contact à l'ILL : Marie Hélène Lemee-Cailleau
Institutions impliquées dans la recherche : Technische Universität Braunschweig, Jülich Centre for Neutron Science, Okayama University, Helmholtz-Zentrum Berlin, Université Paris-Saclay, Paul Scherrer Institute, University of Wollongong, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, Technische Universität Dresden, Australian Nuclear Science and Technology Organisation