Un orchestre gelé où les musiciens changent de place quand le chef d'orchestre, le magnétisme, donne une nouvelle partition. Dans un cristal de spinelle, les atomes de fer et de magnésium occupent deux types de sièges : les uns sont entourés de quatre voisins, les autres de six. À température ambiante, ils ne bougent que légèrement, mais il suffit de refroidir le matériau à 5 K pour voir un exode massif. Le mouvement thermique est presque nul, et pourtant l'ordre change radicalement.
Un faisceau de neutrons traversant une poudre a révélé ce déménagement. Le fer quitte les sièges à quatre voisins pour ceux à six, tandis que le magnésium fait le chemin inverse. À 200 K, le fer occupait 78 % des sièges à quatre places, et à 5 K, il en occupe 100 %. Ce n'est pas une agitation aléatoire : les atomes suivent la nouvelle partition dictée par l'ordre magnétique.
Pour comprendre qui dirige, les scientifiques ont comparé deux expériences. Dans l'une, le matériau a été refroidi ; dans l'autre, il a été comprimé sous pression dans une enclume de diamant. La compression a donné le résultat inverse : le magnésium a commencé à occuper plus souvent les sièges à quatre places. Cela signifie que ce n'est pas la contraction du réseau due au froid qui est en cause. La force motrice est la liaison magnétique entre les atomes.
Les mesures magnétiques ont confirmé un scénario complexe. Au refroidissement, l'aimantation change deux fois de comportement : à 135 K et à 90 K, et à 50 K, le matériau devient un aimant dur avec une force coercitive de 0.35 T. Chaque transition est comme une nouvelle mesure dans la partition, forçant les atomes à se déplacer.
L'orchestre est gelé, mais la musique continue. On pensait auparavant qu'à des températures cryogéniques, la diffusion ionique dans les oxydes était complètement figée en raison des barrières d'énergie élevées. On voit maintenant que l'ordre magnétique peut déplacer les atomes même dans un froid intense. Il n'y a pas encore d'application pratique en vue, mais cela change notre compréhension de la stabilité des matériaux dans l'espace et dans l'électronique supraconductrice.
À 5 K, l'énergie thermique est d'environ 0.4 meV, alors que la barrière typique de migration des cations dans les oxydes est de 1 à 2 eV. C'est comme si une personne sautait par-dessus un mur d'un kilomètre de haut sans élan.