Une corde qui change de raideur : la résonance magnétique dans l'oxyde de chrome ✛
Une corde tendue émet un son plus aigu lorsqu'on la tend davantage. C'est à peu près ce que fait l'aimantation dans un antiferromagnétique : plus le champ externe est fort, plus elle oscille rapidement. Mais dans le cristal d'oxyde de chrome, quelque chose ne s'est pas passé comme prévu.
L'expérience a été menée à l'Université de Tokyo : un monocristal de Cr₂O₃ d'un demi-millimètre d'épaisseur a été placé dans un aimant pulsé qui générait un champ allant jusqu'à 30 teslas en une millième de seconde. Simultanément, une impulsion térahertz traversait l'échantillon, une brève salve de rayonnement avec une fréquence d'environ un billion d'oscillations par seconde. En observant comment le cristal absorbait cette salve, on pouvait déterminer la fréquence à laquelle son aimantation oscillait.
Il s'est avéré qu'au-delà de 15 teslas, un pic de résonance net apparaît. À mesure que le champ augmente, le pic se déplace vers les hautes fréquences, mais pas aussi vite que prévu. La pente était d'environ 22 GHz/T, alors qu'un modèle simple prévoyait 28 GHz/T. La différence ne dépendait ni de la température (de 13 à 283 K) ni du fait que l'échantillon était incliné de 15 degrés. Cela signifie que ce n'est pas une erreur aléatoire, mais une propriété du matériau lui-même.
Il semble que le champ intense déforme légèrement le réseau cristallin. Et la déformation, à son tour, modifie l'anisotropie magnétique, c'est-à-dire la difficulté qu'a l'aimantation à s'orienter dans une direction ou une autre. Les physiciens ont ajouté à la formule une correction dépendant du carré du champ, et elle s'ajuste parfaitement aux données. Ainsi, dans un champ de 30 teslas, l'anisotropie change d'environ un tiers de tesla, ce qui est comparable aux champs pour lesquels, dans d'autres antiferromagnétiques, les domaines magnétiques s'alignent dans une seule direction.
Jusqu'à présent, le comportement de Cr₂O₃ dans des champs supérieurs à 10 teslas restait inexploré, car il est très difficile de combiner un aimant pulsé et une spectroscopie ultrarapide. Il est maintenant clair que les modèles simples ne fonctionnent pas dans ce régime et qu'il faut tenir compte de la façon dont le champ magnétique tire sur le réseau. Cela est important pour les futurs dispositifs de spintronique et de magnonique, où les antiferromagnétiques sont envisagés comme base pour le stockage et la transmission de l'information.
L'oxyde de chrome Cr₂O₃ est l'un des rares matériaux où l'effet magnétoélectrique linéaire a été prédit et confirmé dès les années 1960. Dans ce travail, le champ de 30 T est créé par une impulsion d'une durée de seulement 1 ms, tandis que l'impulsion térahertz dure environ 1 ps, soit une résolution temporelle un milliard de fois meilleure que la durée du champ.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Les Enfants d'Icare », des matériaux aux propriétés magnétiques inhabituelles sont mentionnés, mais il n'y a pas d'analogie directe avec la résonance magnétoélastique. Le sujet évoque plutôt l'idée de matériaux « intelligents » qui modifient leurs propriétés sous une contrainte externe, comme dans la science-fiction sur les structures auto-réparantes.