Lorsqu'on refroidit le cristal Fe₄Nb₂O₉ à -272°C, il adopte un motif magnétique où les aiguilles atomiques ne s'alignent pas en rangées, mais s'évasent en éventail. C'est comme si une foule se figeait, chacun regardant dans une direction différente au lieu de fixer la nuque de son voisin. Cette disposition des moments magnétiques est dite non colinéaire, et c'est précisément elle qui, selon les travaux, est responsable du comportement inhabituel du matériau.
Les chercheurs ont bombardé l'échantillon de neutrons et analysé les rayons réfléchis. Contrairement aux rayons X, les neutrons sont sensibles aux champs magnétiques des atomes, si bien que le motif de diffraction permet de reconstituer l'orientation des aiguilles magnétiques. Ils ont découvert qu'à 1,5 kelvin (soit -271,65°C), une composante notable du moment magnétique apparaît le long de l'axe vertical, et que les moments forment une structure antiferromagnétique : les atomes voisins pointent dans des directions opposées, mais pas strictement opposées, plutôt avec un angle.
Cette structure explique pourquoi Fe₄Nb₂O₉ réagit si fortement à un champ magnétique en modifiant sa permittivité diélectrique. Lorsque le champ fait pivoter les aiguilles magnétiques, le réseau cristallin se déforme légèrement et le matériau change de propriétés électriques. Ce phénomène, appelé effet magnétoélectrique, ouvre la voie à des dispositifs où un champ magnétique contrôle un courant électrique sans fil.
Désormais, forts de la connaissance précise du motif magnétique, les ingénieurs peuvent ajuster les conditions de croissance des cristaux pour renforcer l'effet souhaité. De tels matériaux pourraient trouver leur place dans des capteurs de champ magnétique, des mémoires non volatiles ou des éléments convertissant les vibrations en électricité.
Fe₄Nb₂O₉ est l'un des rares matériaux dont la transition magnétique se produit au-dessus de la température ambiante, ce qui permet de l'utiliser dans des conditions ordinaires, et pas seulement dans un réfrigérateur de laboratoire.