Ni solide, ni liquide : les neutrons dévoilent un état de matière exotique
Grâce au diffractomètre thermique à neutrons à deux axes D23 de l'ILL, une équipe de chercheurs a récemment pu étudier le Na2BaCo(PO4)2 (NBCP). Ce matériau se comporte étonnamment comme un 'supersolide de spin' - un état combinant les propriétés d'un solide et d'un liquide. Les neutrons, agissant comme de minuscules aimants, se sont avérés être des outils essentiels pour explorer l'ordre magnétique et la dynamique interne de ce matériau. Cette découverte, qui a également des implications pour le refroidissement économe en énergie, constitue la première preuve réelle d'un état supersolide dans un aimant quantique.
Les supersolides représentent un état quantique de la matière très particulier et activement recherché en science des matériaux. De manière intrigante, ils combinent les propriétés d'un solide incompressible et d'un superfluide à viscosité nulle. Les applications potentielles de ces matériaux incluent la réfrigération sub-Kelvin, c'est-à-dire le refroidissement à des températures extrêmement basses. Ceci est d'un intérêt particulier dans des domaines comme la technologie spatiale, où des températures très basses sont nécessaires au fonctionnement optimal de certains dispositifs.
La substance récemment synthétisée, Na2BaCo(PO4)2 (NBCP en abrégé, composée de Na = sodium, Ba = baryum, Co = cobalt, P = phosphore et O = oxygène), est un candidat potentiel pour l'analogue quantique d'un supersolide, connu sous le nom de supersolide de spin.
Le NBCP est un matériau dit antiferromagnétique, ce qui signifie que ses moments magnétiques s'alignent de manière antiparallèle et s'annulent mutuellement. Par conséquent, bien qu'il possède des propriétés magnétiques classiques, il est globalement non magnétique. En dessous d'une certaine température, appelée température de Néel, ces matériaux antiferromagnétiques deviennent paramagnétiques : ils peuvent alors être aimantés si un champ magnétique est appliqué.
Courbes de refroidissement adiabatique mesurées et calculées du NBCP à partir d'une température initiale TT0 = 2 K et de divers champs initiaux B0 = 3, 3.5 and 4 T.
Les propriétés du NBCP en font un matériau très prometteur pour diverses applications. Dans une étude récente, une équipe de scientifiques l'a exploré en détail et a publié ses résultats dans la prestigieuse revue Nature. « Nous avons utilisé des monocristaux de NBCP de haute qualité pour réaliser des expériences de diffraction neutronique sur l'instrument D23 de l'ILL », explique Wentao Jin, de l'Université de Beihang et membre de l'équipe de recherche. L'environnement échantillon de D23 est optimisé pour l'étude des matériaux magnétiques et de leurs propriétés en fonction de champs magnétiques externes appliqués. De plus, les neutrons — qui se comportent eux-mêmes comme de minuscules aimants — sont des sondes idéales pour une caractérisation approfondie de matériaux tels que le NBCP.
« Nos expériences à l'ILL ont en effet fourni des preuves que le NBCP présente des éléments à la fois de phases solide et superfluide », indique Jin. Il est important de noter que c'est la première fois qu'un état supersolide est observé dans un aimant quantique réel.
De plus, les scientifiques ont découvert un effet magnétocalorique géant (EMC) dans le système NBCP. L'EMC décrit le réchauffement du matériau lors de l'application d'un champ magnétique et constitue, notamment, la base scientifique des technologies de réfrigération durables et économes en énergie. Compte tenu des préoccupations actuelles concernant les pénuries mondiales d'hélium, cette découverte revêt un intérêt particulier.
Les données expérimentales étaient en excellent accord avec les simulations théoriques des systèmes supersolides, soulignant l'importance de combiner théorie et observations expérimentales, en particulier lors de la recherche de nouveaux états de la matière.
Référence: Xiang, J., Zhang, C., Gao, Y. et al. Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2. Nature625, 270–275 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06885-w
Instrument ILL :D23
Contacts ILL : Karin Schmalzl et Wolfgang Schmidt