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Magnetism and quantum materials

Quantum systems – Molecular magnets – Multiferroics – Superconductors - Novel electronics

Magnets are everywhere in our lifes, from cars to mobile phones or high-speed trains. But magnetic systems exist at all scales: particles such as the electron and the neutron act like tiny magnets; planets like the Earth, Jupiter and Saturn (and once upon a time Mars) have powerful magnetic fields generated by massive dynamos in their cores.

Because of its elementary magnetic moment, the neutron can probe the magnetic properties of materials at atomic level and even down to the nuclear level: it acts as a tiny compass exploring the inner structure of matter. It can detect and characterise the vibrational motions of the individual magnetic moments. From the characteristics of the vibrational modes, researchers can determine the interactions between the local moments, which play a  fundamental role in the bulk properties of magnetic materials. In this way they have been able to optimise and develop more efficient magnets for technological applications and increase our understanding of the universe around us.

Neutrons are a vital tool in examining unusual, hard-to-measure properties, thanks to the unique interactions with magnetic electrons, and the low energy that reveals miniscule changes in the characteristics of materials. They are opening the doors to novel applications of magnetic characteristics such as quantum computing and high-temperature superconductors.

Brochure with highlights on how neutrons unravel the secrets of matter:

Highlights

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22 juillet 2025 Magnétisme, vortex et écho de spin neutronique : une combinaison gagnante
Des chercheurs du Japon, du Royaume-Uni, de Suède et de République Tchèque ont mené une série d'expériences cruciales à l'ILL sur l'instrument IN15, une installation de pointe pour l'écho de spin. Leurs travaux, publiés dans Nature Physics, ont utilisé l'écho de spin neutronique (NSE) pour confirmer une dynamique asymétrique dans la phase skyrmion du MnSi. Cette découverte souligne le fort potentiel du MnSi pour les dispositifs spintroniques et les technologies durables.
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22 juillet 2025 Magnétisme, vortex et écho de spin neutronique : une combinaison gagnante
Des chercheurs du Japon, du Royaume-Uni, de Suède et de République Tchèque ont mené une série d'expériences cruciales à l'ILL sur l'instrument IN15, une installation de pointe pour l'écho de spin. Leurs travaux, publiés dans Nature Physics, ont utilisé l'écho de spin neutronique (NSE) pour confirmer une dynamique asymétrique dans la phase skyrmion du MnSi. Cette découverte souligne le fort potentiel du MnSi pour les dispositifs spintroniques et les technologies durables.
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10 juillet 2025 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.
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7 juillet 2025 Les neutrons explorent les secrets quantiques d'un isolant exotique
Une étude récente, publiée dans Nature Communications, révèle une transition inattendue entre deux états isolants distincts pour les isolants de Mott. Les expériences de diffractométrie neutronique menées à l'ILL, sur le diffractomètre à deux axes de haute résolution D2B, ouvrent la voie à des technologies avancées en fournissant des informations essentielles sur le comportement électronique complexe de ces matériaux isolants.
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4 juillet 2025 En spin vers le futur : Les neutrons polarisés aident à percer les mystères des skyrmions
Une étude récente, publiée dans Science and Technology of Advanced Materials et menée à l'Institut Laue-Langevin (ILL), a utilisé la diffusion de neutrons polarisés sur l'instrument D33 pour explorer les skyrmions. Cette recherche a fourni des informations microscopiques cruciales sur ces structures magnétiques. D33 reconnu pour sa capacité unique à combiner des champs magnétiques intenses et des neutrons polarisés, a été essentiel pour comprendre les transitions de phase des skyrmions. Ces découvertes microscopiques ne sont pas seulement fondamentales : elles permettent le développement de dispositifs spintroniques à base de skyrmions. Ces technologies pourraient révolutionner le stockage de données et la consommation d'énergie, offrant des solutions bien plus efficaces. Les méthodologies utilisées dans cette étude pourraient aussi s'appliquer à d'autres matériaux magnétiques. Cela permettrait de découvrir de nouveaux phénomènes et de développer de matériaux magnétiques encore plus performants.
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9 avril 2025 C'est dans la matière condensée, et non dans les collisionneurs, que la supersymétrie apparaît
Des expériences de diffusion neutronique à l'ILL et ISIS mettent en évidence un comportement supersymétrique dans un matériau quantique. Cela prouve qu'il apparaît naturellement dans la matière condensée et ouvre des perspectives pour créer des qubits stables pour l'informatique quantique. L'étude, menée par des chercheurs du PSI, est publiée dans Nature Communications.