Un cristal de la taille d'un ongle repose entre les plaques d'un condensateur. On active le champ magnétique, et le cristal s'allonge comme un ruban que l'on tire par les extrémités : sa longueur augmente de 60, voire de 120 pour cent. Ce n'est pas une coquille. Le fer ordinaire, dans un champ magnétique, change de longueur de quelques millionièmes, alors qu'ici l'effet atteint une ampleur visible à l'œil nu.
Il s'agit d'orthoferrites de terres rares, des composés de fer, d'oxygène et d'un élément de terre rare. Les chercheurs ont fait croître des monocristaux de HoFeO₃ et de DyFeO₃, les ont refroidis jusqu'à quelques kelvins et ont appliqué un champ de 90 kiloœrsteds. Le long de l'un des axes, le cristal s'est mis à grandir comme une tige de plante filmée en accéléré. Le long des deux autres axes, il n'a presque pas changé. Une telle anisotropie est la clé pour comprendre le mécanisme.
Pourquoi cela se produit-il ? Les cristaux possèdent deux sous-réseaux magnétiques : celui du fer et celui de la terre rare. Les ions d'holmium et de dysprosium présentent un couplage spin-orbite très fort, c'est-à-dire une interaction entre le spin de l'électron et son mouvement autour du noyau. C'est ce couplage qui, tel un ressort, lie le moment magnétique de l'ion à sa position dans le réseau. Lorsque le champ extérieur retourne les moments magnétiques, les ions se déplacent et tout le cristal change brusquement de forme. Il s'agit d'une transition de phase du premier ordre, comme un saut d'un état à un autre, avec hystérésis : si l'on supprime le champ, le cristal ne retrouve pas immédiatement sa longueur initiale.
Pour vérifier que l'effet est bien lié à l'ion de terre rare, les chercheurs ont mesuré un troisième cristal, GdFeO₃. Chez le gadolinium, le couplage spin-orbite est faible. Et alors ? La magnétostriction s'est révélée cent fois plus petite, et aucune transition structurale n'a eu lieu. C'est une preuve directe : la déformation géante est déclenchée par l'anisotropie de la terre rare, et non par le fer.
En même temps que l'allongement, la réponse électrique change aussi : la permittivité diélectrique le long de l'axe c chute de plus de 65 %. Le cristal, qui respire sous un champ magnétique, modifie en outre ses propriétés électriques. Une telle combinaison ouvre la voie à des actionneurs contrôlés magnétiquement, à des capteurs de déformation et à des structures adaptatives fonctionnant à basse température. Pour l'instant, c'est une curiosité cryogénique, mais le principe est trouvé : les orthoferrites de terres rares constituent une plateforme pour des déformations réversibles extrêmement grandes, pilotées par un champ.
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.