Deux danseurs sur une même scène : l'un tire son partenaire d'un côté, l'autre dans la direction opposée. Dans le cristal Cu2(OH)3Br, connu sous le nom de botallackite, les atomes de cuivre s'alignent en chaînes où les spins (moments magnétiques) des ions voisins s'orientent soit parallèlement, comme dans un ferromagnétique, soit antiparallèlement, comme dans un antiferromagnétique. Ces deux sous-systèmes coexistent et s'influencent mutuellement, mais la manière dont un champ magnétique externe réorganise leur danse restait une énigme.
Pour observer cette danse, les scientifiques ont utilisé la spectroscopie térahertz, une méthode qui détecte les oscillations des spins à une fréquence d'environ mille milliards de fois par seconde. Ils ont appliqué un champ magnétique allant jusqu'à 31 teslas (soit un million de fois plus fort que le champ terrestre) le long de différents axes du cristal et ont suivi les variations de l'absorption du rayonnement. Lorsque le champ était dirigé perpendiculairement aux chaînes, à 5.4 teslas, se produisait un brusque retournement des spins, appelé transition spin-flop. Les modes basse fréquence disparaissaient, remplacés par de nouvelles branches d'excitations.
Avec le champ parallèle aux chaînes, le tableau était différent : pas de retournement brusque, mais à 16.3 teslas, le sous-système ferromagnétique se polarisait complètement. Le spectre se simplifiait en un seul mode large, devenant de plus en plus rigide à mesure que le champ augmentait. Cela signifie que le couplage entre les deux sous-systèmes s'affaiblissait : les chaînes ferromagnétiques se figeaient, tandis que les chaînes antiferromagnétiques poursuivaient leur danse, mais désormais en solitaire.
Auparavant, on ne comprenait pas comment les magnons et les spinons coexistants échangeaient de l'énergie lorsque les conditions externes variaient. Désormais, c'est clair : le champ agit comme un chef d'orchestre qui tantôt force les danseurs à changer brusquement de pas, tantôt écarte doucement l'un d'eux. La comparaison des spectres sous différentes orientations du champ a permis de séparer les contributions de chaque sous-système et de voir comment leur couplage s'affaiblit sous champs intenses.
C'est une connaissance pure : aucune application pratique n'est encore en vue. Mais elle ouvre la voie à la compréhension des transitions de phase quantiques dans les aimants de basse dimensionnalité, où excitations collectives et fractionnaires s'entrelacent comme les pas de deux danseurs. Et un jour, peut-être, cette danse apprendra-t-elle à contrôler de nouveaux matériaux.
Le cristal Cu2(OH)3Br est connu sous le nom de botallackite et a été décrit pour la première fois en 1948. Sa structure ressemble à une échelle d'ions cuivre, où les « barreaux » ferromagnétiques et antiferromagnétiques alternent.