Ce travail se situe en marge des recherches sur les propriétés magnétiques et structurales des orthoferrites de terres rares. Les travaux voisins dans l'archive portent sur la supraconductivité, le graphène, des modèles de type quantique et le comportement collectif, ainsi que sur les textures magnétiques et les frustrations. Dans ce contexte, cette étude se distingue par la mesure directe d'une magnétostriction géante dans des monocristaux massifs à basse température. Jusqu'à présent, les propriétés structurales des RFeO3 sous champ magnétique n'avaient pas été étudiées systématiquement, bien que les réponses électromagnétiques le long de l'axe c aient déjà attiré l'attention en raison de la forte interaction spin-orbite et des transitions de réorientation de spin.
Les monocristaux de HoFeO3, DyFeO3 et GdFeO3 ont été élaborés dans un four à quatre miroirs équipé de lampes halogènes, sous atmosphère d'oxygène. La pureté de phase et la structure ont été confirmées par diffraction des rayons X sur un Rigaku TTRAX II et par la méthode de Laue. Les mesures magnétiques ont été réalisées sur un PPMS et un SQUID-VSM. La dilatation thermique et la magnétostriction ont été mesurées avec un dilatomètre capacitif de l'Université technique de Vienne, équipé d'un pont Andeen-Hagerling AH2700A. Des échantillons d'environ 1×1×1 mm³ étaient placés entre les plaques d'un condensateur, le champ étant appliqué le long de l'axe mesuré. La permittivité diélectrique a été déterminée avec le même pont, sous champ électrique appliqué le long de la direction choisie.
Dans HoFeO3, à 90 kOe et 2 K, l'allongement relatif le long de l'axe c dépasse 60 %, tandis que dans DyFeO3 il atteint 115–120 % à 5 K. Le long des axes a et b, la magnétostriction n'est que de 0,1–3 % pour HoFeO3 et d'environ 10 % pour DyFeO3, soit deux ordres de grandeur de moins. Les transitions s'accompagnent d'une forte hystérésis thermique, ce qui indique une transition du premier ordre. L'effet magnétodiélectrique est lui aussi anisotrope : la permittivité diélectrique le long de c chute de plus de 65 % à 90 kOe et 35 K. Dans GdFeO3, où l'interaction spin-orbite est faible, la magnétostriction est inférieure de deux ordres de grandeur et la transition structurale est absente. Cela confirme le rôle clé de l'anisotropie des terres rares et de l'interaction entre les sous-réseaux Fe et R.
Ce travail se distingue des études voisines en ce qu'il démontre pour la première fois une transition structurale du premier ordre induite magnétiquement, avec une déformation géante dans des monocristaux massifs d'orthoferrites. Les travaux voisins dans l'archive ne portent pas sur une magnétostriction de cette ampleur : ils étudient la supraconductivité, des modèles quantiques ou des textures magnétiques. Ici, il est montré que les orthoferrites de terres rares peuvent servir de plateforme pour des déformations réversibles extrêmement grandes, contrôlées par le champ. Cela élargit la classe des matériaux à magnétostriction colossale au-delà des alliages à mémoire de forme.
Le sujet pourrait évoluer vers la recherche d'analogues fonctionnant à température ambiante avec une réponse similaire. L'étude de films minces et d'hétérostructures à base de RFeO3 en vue de leur intégration dans des dispositifs est envisageable. Il serait intéressant d'examiner l'influence de la pression, du champ électrique et de la lumière sur la magnétostriction. Des modèles théoriques reliant l'interaction spin-orbite à l'instabilité du réseau aideront à prédire de nouvelles compositions présentant un effet encore plus marqué.
Les résultats pourraient influencer le développement d'actionneurs magnétiques, de capteurs, de transducteurs et de structures adaptatives. Ils sont également importants pour la physique des multiferroïques et la spintronique.
Les prochaines étapes comprennent la mesure de la magnétostriction dans d'autres orthoferrites de terres rares (par exemple ErFeO3, TmFeO3) et la recherche de compositions présentant une transition à plus haute température. Une étude structurale détaillée in situ sous champ est également nécessaire pour élucider le mécanisme microscopique.
Ce travail est lié au problème non résolu du couplage entre ordre magnétique et réseau dans les oxydes fortement corrélés. La question du mécanisme microscopique de la magnétostriction géante reste ouverte : comment exactement l'interaction spin-orbite des ions de terres rares déclenche-t-elle la transition structurale ? On ne sait pas non plus pourquoi la transition du premier ordre n'apparaît que le long de l'axe c et si elle est possible à température ambiante.
La magnétostriction a été découverte par James Joule en 1842 : une tige de fer s'allongeait de quelques millionièmes sous l'effet d'un champ magnétique. Dans ce nouveau travail, la déformation est un million de fois plus grande.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Rendez-vous avec Rama », un vaisseau extraterrestre modifie sa géométrie sous l'action de champs externes. Les orthoferrites de terres rares, avec leur allongement de 120 %, rappellent un tel matériau « intelligent », même si elles ne fonctionnent qu'à des températures cryogéniques.