Un éventail magnétique au bord de la saturation express
Une rangée de soldats, au commandement, tourne d'un même côté. Dans les matériaux magnétiques, les soldats sont les spins des atomes — de minuscules aiguilles magnétiques. Dans un aimant ordinaire, ils pointent tous dans la même direction, mais dans un réseau triangulaire, c'est plus compliqué : les voisins se gênent mutuellement, et il en résulte une danse enchevêtrée.
Des physiciens ont étudié le cristal Na₂BaCo(PO₄)₂ avec des ions de cobalt situés aux sommets de triangles. Grâce à la diffraction de neutrons (une méthode où un faisceau de neutrons traverse l'échantillon et où la diffusion révèle la disposition des spins), ils ont observé l'intérieur du matériau sous un fort champ magnétique. Lorsque le champ a été orienté le long de l'axe magnétique privilégié, ils ont découvert une surprise : avant que tous les spins ne s'alignent définitivement sur le champ, une phase intermédiaire apparaît. Les spins ne restent pas fixes, mais forment une onde — un « éventail » qui se déploie progressivement à mesure que le champ varie.
Cette onde se propage le long du bord de la zone de Brillouin hexagonale (une cellule imaginaire dans l'espace des impulsions qui détermine la périodicité du cristal). Son pas varie avec le champ, ce qui ne correspond pas aux modèles simples. Les calculs ont montré que les interactions dipôle-dipôle (où chaque spin ressent le champ magnétique de ses voisins comme un minuscule aimant) et une anisotropie d'échange particulière (la dépendance de la force d'interaction avec la direction) jouent un rôle clé. Les auteurs ont construit un modèle minimal qui reproduit toute la carte magnétique complexe, y compris ce vecteur d'onde qui rampe le long du bord.
Ainsi, la phase en éventail, découverte au seuil de la saturation, rappelle que même dans des cristaux d'apparence simple se cachent des mécanismes subtils qui régissent le comportement collectif des spins.
Le nom du minéral « cobalt » vient de l'allemand Kobold — un esprit de la montagne qui, selon les croyances, gâchait le minerai d'argent en y mêlant un métal alors inconnu.