Un outil puissant pour explorer de nouveaux états magnétiques et des phénomènes quantiques

Les matériaux dotés de propriétés magnétiques, supraconductrices et quantiques inhabituelles, représentant de nouveaux états électroniques de la matière, offrent un potentiel énorme pour les technologies futures de l'information et de l'énergie. Comprendre les mécanismes sous-jacents est crucial pour le développement des applications. Les neutrons y jouent un rôle clé : grâce à leur spin, ils se comportent comme de minuscules aimants ; et comme ils n'ont pas de charge électrique, ils sondent les états atomiques comme aucune autre méthode. La diffusion neutronique dans des conditions extrêmes (haute pression et (ultra-)basses températures), bien que particulièrement exigeante, est une approche explorée de longue date.

Une expérience de diffraction neutronique a été menée à l'ILL et vient d'être publiée. Elle a atteint les températures inédites de 160 mK (millikelvins) simultanément à une pression de 20 GPa (gigapascals), soit près de 200 000 fois la pression atmosphérique sur Terre. Ceci a été rendu possible grâce à des développements novateurs dans les techniques cryogéniques et de haute pression.

L'installation se composait d'une combinaison de deux éléments principaux : une presse Paris-Édimbourg (capable d'appliquer une force de 130 tonnes sur un échantillon allant jusqu'à 50 mm³) hébergée à l'intérieur d'un cryostat à dilution sans cryogène. Comme le montre l'illustration, la cellule de pression est fixée à l'étage de la chambre de mélange et placée à l'intérieur d'un calorimètre étanche rempli de 10 à 30 mbar de gaz hélium pour assurer la thermalisation.

Les mesures ont été effectuées sur le nouvel instrument XtremeD (construit et exploité à l'ILL par des institutions de recherche espagnoles en tant qu'instrument du Groupe de Recherche Collaboratif CRG) et concernaient le fer-ε (e-Fe), la phase de haute pression du fer élémentaire. Le fer, l'un des éléments les plus abondants et stables de l'univers, se transforme sous compression (entre 14 et 20 GPa) de la phase cubique α à la forme ε à réseau hexagonal compact, qui est le composant principal du noyau terrestre. Bien que le fer-ε soit généralement considéré comme non magnétique, la théorie et des résultats expérimentaux indirects suggèrent l'existence d'un moment magnétique résiduel – et donc la possibilité d'un ordre magnétique à des températures suffisamment basses.

Ce résultat n'exclut pas nécessairement l'existence d'un moment magnétique résiduel dans le fer-ε, mais il réduit considérablement les scénarios possibles : soit ce moment est vraiment petit (environ 10 fois inférieur à celui du fer "normal" et 3 à 5 fois plus petit que ce que suggèrent la théorie et les mesures), soit l'ordre magnétique doit être à courte portée (longueurs de corrélation inférieures à 10-20 Å, c'est-à-dire généralement quelques distances de mailles élémentaires).

Plus important encore, les techniques développées dans le cadre de ce travail ouvrent de nouvelles possibilités expérimentales pour l'étude des structures et des excitations dans la matière condensée dans des conditions extrêmes de pression et de température (P/T). On compte parmi les exemples le comportement des systèmes magnétiquement frustrés qui pourraient s'ordonner vers 0 K, l'interaction entre le magnétisme et la supraconductivité, ainsi que les études des points quantiques critiques et d'autres phénomènes quantiques émergents dans la matière condensée.

"Le progrès scientifique est souvent limité par les outils dont nous disposons. Notre nouveau système d'ingénierie rend possible l'étude des structures atomiques à 20 GPa et 100 mK. Ce bond dans l'instrumentation ne fait pas que faire avancer la technologie : il accélère la découverte, offrant à nos utilisateurs une nouvelle lentille puissante pour explorer les propriétés fondamentales de la matière dans des conditions extrêmes", déclare Eddy Lelièvre-Berna, chef du Service des Environnements Neutronique Avancés à l'ILL.