La résistance est fragmentée : comment les aimants défient le désordre

Certains matériaux magnétiques présentent des états particuliers dont la compréhension fondamentale pourrait ouvrir la voie à de futures applications. Des expériences neutroniques viennent de révéler qu'ils peuvent être étonnamment stables face au désordre microscopique.

Du simple "magnet" sur la porte de notre réfrigérateur aux appareils d'IRM, les aimants sont utilisés dans une multitude d'applications quotidiennes. La recherche et développement travaillent continuellement à optimiser et concevoir de nouveaux matériaux magnétiques. Afin d'exploiter de futurs domaines d'application, une compréhension détaillée des propriétés microscopiques fondamentales des aimants est nécessaire. C'est l'objet d'une étude récemment publiée.

Tous les matériaux, magnétiques ou non, sont constitués d'atomes. Leurs électrons tournent autour du noyau atomique, générant un champ magnétique similaire à celui d'un minuscule aimant. Les ions magnétiques présentent des couches électroniques partiellement remplies, ce qui entraîne des moments magnétiques (atomiques), alors que dans les ions ou atomes non magnétiques, les couches électroniques complètes annulent le magnétisme.

Une propriété importante utilisée pour décrire les aimants est celle de leurs moments magnétiques atomiques. Il est intéressant de noter que certains matériaux magnétiques peuvent adopter des états exotiques en ce qui concerne l'arrangement de leurs moments magnétiques. Les théoriciens ont prédit que cela devrait se produire dans le pyrochlore magnétique Nd2Zr2O7 (Nd = néodyme, Zr = zirconium, O = oxygène). À basse température, ce matériau présente un état ordonné particulier et non conventionnel, ou les moments de chaque tétraèdre pointent tous vers l’intérieur ou tous vers l’extérieur, configuration "all-in/all-out" (AIAO)- "tous-dedans/tous dehors". Cet ordre exotique s'accompagne de mouvements spécifiques des moments (excitations), qui dépendent des interactions couplant ces moments.

Les neutrons se comportent comme de nano-aimants et sont donc un outil idéal pour étudier de tels états magnétiques intrigants, plus précisément à travers la dynamique des moments qui est la signature la plus marquante de l'état exotique. C'est ce qui a motivé une équipe internationale de scientifiques à réaliser une série d'expériences neutroniques sur Nd2Zr2O7, dans le but de mieux comprendre ses états AIAO.

"Une question fondamentale est : les excitations, caractéristiques de cet état, disparaissent-elles ou résistent-elles au désordre microscopique ?", explique Elsa Lhotel, l'auteure correspondant de la publication. Pour introduire du désordre dans le matériau, l'équipe a utilisé la substitution atomique. Par exemple, dans certains échantillons, les corrélations magnétiques ont été "diluées" en remplaçant le néodyme par des ions de lanthane (La) non magnétiques. Dans d'autres, le zirconium a été remplacé par du titane (Ti), perturbant la symétrie magnétique locale. "De plus, nous avons produit une version de l'aimant dans laquelle les ions de zirconium ont été remplacés par un mélange de plusieurs ions non magnétiques", précise Mélanie Léger, la première auteure de l'étude.

Les différents échantillons ont été mesurés sur divers instruments, notamment les instruments à temps de vol (TOF) PANTHER et IN5 de l'ILL. "Nous avons observé des excitations magnétiques dans une série d'échantillons avec un degré croissant de substitution du zirconium par du titane", explique Elsa Lhotel. "Il est intéressant de noter que nous n'avons pas observé de grande différence entre les faibles et les forts degrés de substitution."

"Les instruments à temps de vol de l'ILL sont parfaitement adaptés à ces expériences", ajoute Jacques Ollivier, principal responsable de IN5. "Leur configuration nous permet d'enregistrer une large gamme de transferts d'énergie et d'échelles de longueur avec d'excellentes résolutions." Les résultats inélastiques ont été confirmés par diffraction de neutrons, dans laquelle il a également été observé que les différents degrés de substitution avaient peu d'influence sur la structure du matériau. L'équipe a conclu que les composés à base de néodyme qu'elle a produits sont très résistants au désordre. En fait, le désordre a même semblé stabiliser l'état fondamental AIAO. Cette remarquable stabilité du pyrochlore étudié constitue un atout prometteur pour son développement et ses applications potentielles.

Cette étude illustre l'importance des neutrons pour des études détaillées des propriétés moléculaires des matériaux, notamment les aimants. De telles explorations peuvent finalement ouvrir la voie au développement de nouveaux matériaux ajustables pour une grande variété d'applications, telles que, par exemple, l'informatique quantique.

Images: Exemples de mesures réalisées respectivement sur PANTHER, SHARP et IN5.

Reférence: Léger, M., Vayer, F., Hatnean, M. C., Damay, F., Decorse, C., Berardan, D., Fåk, B., Zanotti, J.-M., Berrod, Q., Ollivier, J., Embs, J. P., Fennell, T., Sheptyakov, D., Petit, S., & Lhotel, E. (2024). Impact of disorder in Nd-based pyrochlore magnets. Physical Review B, 109 (22), 224416. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.224416

Instruments ILL: PANTHER, IN5, SHARP

Contact ILL: Jacques Ollivier