température de Curie

Imaginez un orchestre où les violons et les trompettes jouent des partitions différentes, mais créent ensemble une sonorité puissante. Dans le cristal de l'aimant lamellaire Fe5GeTe2 dopé au nickel, ce sont de minuscules régions d'une autre phase qui tiennent le rôle de ces instruments : les nanoprécipités de Fe6GeTe2.

Dans une salle où dansaient des couples, une autre musique s'est fait entendre, et les couples alignés en rangées se sont soudain mis à tourbillonner. C'est ainsi que le cristal magnétique Fe3Ge réorganise son motif interne lorsque la température dépasse 375 kelvins, soit environ cent degrés de chaleur.

À l'intérieur de la Terre, entre 660 et 2900 kilomètres de profondeur, se trouve une couche appelée manteau inférieur. La pression y atteint 1,3 million d'atmosphères et la température est comparable à celle de la surface du Soleil.

Régler un récepteur radio sur une station qui change de fréquence lorsqu'on franchit une frontière de phase : c'est ainsi qu'on peut se représenter la tâche des chercheurs.

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.

Une pièce insonorisée où l'on accorde un diapason : le moindre froissement fausse l'accord. Dans le monde des mesures atomiques de haute précision, ce froissement est le champ magnétique.

Un mince film de nitrure de zirconium repose sur un substrat d'oxyde de magnésium. L'épaisseur est de deux dixièmes de micron, comme une toile d'araignée, mais à l'intérieur bouillonne une vie quantique.

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

Le graphène — une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur — sait changer ses propriétés magnétiques comme l'eau change de forme : tantôt elle coule, tantôt elle se fige en glace. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont pour la première fois observé l'intérieur de ce processus à l'aide d'un capteur de la taille d'une pointe d'aiguille.

Une feuille de papier aux propriétés magnétiques — c'est à peu près ainsi que l'on peut décrire le nouveau matériau 1T-CrS₂. Ses couches sont maintenues par de faibles forces, comme les pages d'un carnet, mais chaque couche est un véritable aimant.

Une cascade qui ne se réchauffe pas en tombant mais qui gèle : c'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule sur une étoile à neutrons dans un pulsar à rayons X lorsque l'étoile brille faiblement. D'habitude, la matière qui tombe s'échauffe jusqu'à devenir incandescente, mais une nouvelle étude montre l'inverse.

À l'intérieur des réacteurs détruits de Fukushima reposent des centaines de tonnes de combustible fondu — un mélange d'uranium, de zirconium, de fer et de produits de fission. Ces débris sont appelés débris de combustible. Ils devront être extraits, transportés et emballés de manière sûre pour des décennies.

La supraconductivité et le champ magnétique sont des ennemis de toujours : le champ s'engouffre comme un tourbillon, déchirant la fragile paire de Cooper et détruisant l'ordre.

Les mondes bidimensionnels ne cessent de surprendre : ici, même la fusion d'un cristal n'est pas une rupture de symétrie, mais un spectacle de vortex, découvert par Kosterlitz et Thouless. Au cœur de ce théâtre se trouvent des singularités topologiques, dont l'énergie et l'entropie négocient l'ordre.

Une longue chaîne d'atomes, et chacun est un minuscule aimant. Ils se parlent entre eux et avec le champ commun, comme des musiciens dans un orchestre qui entendent à la fois le chef et leurs voisins. Lorsque le champ externe change, l'orchestre joue soit en désordre, soit tous les instruments entrent en synchronie — c'est cela, une transition de phase quantique.

Le thé chaud placé dans le congélateur ne se couvre pas immédiatement de glace. D'abord, de minuscules aiguilles de glace s'y agitent — elles apparaissent et fondent, jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que la glace prenne solidement. C'est à peu près ce qui s'est passé dans l'Univers primordial lorsqu'il refroidissait et modifiait sa structure interne.

Un supraconducteur ressemble à une ronde électronique parfaite : les électrons se déplacent par paires sans perdre d'énergie, comme des danseurs qui ne perdent jamais le rythme. Mais ajoutez quelques impuretés magnétiques, et des intrus s'invitent dans la ronde, perturbant le mouvement synchronisé.

Une barre métallique chauffée devient soudainement rigide et perd ou gagne des propriétés magnétiques. Dans les alliages à base de nickel et de manganèse, ces transformations ne se produisent pas progressivement mais par sauts : les atomes se réorganisent dans un nouvel ordre et le matériau change de comportement.

Une casserole d'eau sur la cuisinière : plus le feu est vif, plus vite la glace devient de l'eau, et l'eau de la vapeur. La chaleur détruit l'ordre. Mais parfois, la nature nous joue un tour : sous l'effet de la chaleur, un liquide se fige, comme une flaque par grand froid.

Des centaines de personnes sur une piste de danse se tiennent à égale distance les unes des autres — un ordre strict, comme dans un réseau cristallin. La musique lente représente les vibrations thermiques, qui font doucement tanguer les danseurs. Si la musique devient plus forte et plus rapide, l'ordre s'effondre : tout le monde se mélange.

Dans le cristal Rb1-xV2Te2O, les spins des atomes de vanadium s'alignent en damier : chaque spin est entouré de spins opposés. Ce motif est appelé antiferromagnétisme de type G.

Le cristal de fer ressemble à une mosaïque de nombreux grains étroitement tassés. Là où un grain rencontre un autre, apparaît un joint — une couture étroite avec un ordre perturbé. C'est précisément dans ces coutures que se cachent des surprises pour le magnétisme. Les scientifiques ont calculé comment les atomes de fer interagissent entre eux sur trois types de ces joints.

L'oxyde de ruthénium a longtemps été considéré comme un altermagnétique modèle — un matériau où les moments magnétiques des atomes voisins sont opposés, mais ne se compensent pas complètement en raison de la symétrie particulière du cristal. De nouvelles mesures montrent qu'à l'intérieur du cristal, il n'y a aucun magnétisme.

Dans un film magnétique mince, comme dans une salle bondée, chaque « personne » est une flèche de spin qui cherche à s'aligner avec ses voisins. Mais dans les coins de la salle, des bousculades apparaissent : des vortex où les flèches tournent sans pouvoir s'aligner. Ces vortex vivent en paires : l'un tourne à gauche, l'autre à droite, et ensemble ils empêchent la salle de se calmer complètement.

Le cristal de ferrite de strontium ressemble à un immeuble à plusieurs étages, où des atomes de fer habitent à chaque étage. Certains étages « regardent » vers le haut, d'autres vers le bas, et leurs champs magnétiques s'annulent partiellement.

L'eau dans une bouilloire bout à cent degrés, mais si on la comprime fortement, elle se comporte différemment. De la même manière, les quarks et les gluons — les briques qui composent les protons et les neutrons — changent de propriétés sous l'effet d'un champ magnétique intense.

En général, le courant dans un métal agit comme de l'eau bouillante sur de la glace : il chauffe le matériau et détruit l'ordre magnétique. Mais dans une structure en couches composée de ditellurure de tungstène et du ferromagnétique Fe3GeTe2, le courant se comporte différemment.

Un morceau d'alliage d'europium et d'indium, refroidi sous champ magnétique, se comporte comme de l'eau qui ne gèle pas d'un coup, mais d'abord dans un coin du verre, puis dans un autre.

Le cristal Fe₃Sn₂ ressemble à un treillis ornementé où les atomes de fer occupent les sommets d'hexagones. Dans des conditions normales, leurs aiguilles magnétiques sont alignées bien droite, comme des soldats au garde-à-vous. Mais dès qu'on comprime le cristal, l'ordre se brise.

Le réfrigérateur magnétique du futur ne ronronnera pas avec un compresseur. Il refroidira les aliments grâce au fait qu'un matériau spécial chauffe dans un champ magnétique et refroidit lorsque le champ est retiré.

Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est des centaines de millions de fois plus intense que celui de la Terre. Si l'on approchait un aimant ordinaire d'un tel champ, il serait instantanément démagnétisé, et les atomes s'étireraient en de fins filaments.

Les matériaux magnétiques se comportent parfois comme des disputeurs incapables de s'entendre : certaines liaisons entre atomes tirent d'un côté, d'autres du côté opposé. Lorsque ces conflits se multiplient, le système est « frustré » — il ne peut pas trouver un état de repos unique.

Le cristal modifie sa géométrie interne, comme la charpente d'un bâtiment qui se déforme légèrement lors d'un tremblement de terre.

Un aimant, comme l'aiguille d'une boussole, aime pointer dans une direction précise. Mais que se passe-t-il si le matériau est stratifié, comme une pile de crêpes ? Des scientifiques ont pris un tel aimant, composé de chrome, de germanium et de tellure, et ont voulu déterminer à quel point il « résiste » lorsqu'on tente de faire pivoter son aimantation.

Le cristal Pr₄Ni₃O₁₀ est structuré comme un sandwich à trois étages : les couches d'oxyde de nickel sont séparées par des intercalaires de praséodyme. Lors du refroidissement, trois régimes magnétiques s'activent successivement — comme si, à l'intérieur du sandwich, les spins du nickel s'alignaient d'abord, puis se réorganisaient légèrement, avant que les spins du praséodyme ne s'y joignent.

Un morceau de combustible nucléaire à l'intérieur d'un réacteur n'est pas qu'un simple solide. Lorsqu'on le chauffe, les atomes d'uranium commencent à « remuer » leurs moments magnétiques, et ce mouvement modifie la conductivité thermique et d'autres propriétés.

Dans un solide, les atomes vibrent et transmettent le son. Parfois, cette onde ne se propage pas en ligne droite mais s'enroule en spirale, comme un tire-bouchon qui s'enfonce dans un bouchon. Dans les cristaux ordinaires, ces « tourbillons sonores » sont connus, mais dans les matériaux magnétiques, on ne les avait jamais vus.

Les électrons dans le cristal CrSb se comportent comme un banc de poissons : à l'intérieur du matériau, ils filent dans leurs « couloirs », et à la frontière avec le vide, ils s'organisent en motifs étranges. Ces motifs forment la surface de Fermi, la carte de toutes les vitesses permises pour les électrons.

Un aimant qui s'empile comme une pile de crêpes : c'est ainsi que l'on peut décrire le CrSBr. À basse température, chaque couche est aimantée, mais les couches voisines pointent dans des directions opposées, et leurs champs magnétiques s'annulent mutuellement.

Un film magnétique, découpé en minuscules cellules-flèches, se comporte comme une foule sur une place. Tant qu'il fait froid, toutes les flèches pointent dans la même direction — un ordre parfait. Chauffez le film, et les flèches se mettent à s'agiter, comme des passants qui ont perdu leur but.