transition magnétique

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.

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.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

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.

L'échafaudage magnétique du cristal EuMnSb2 évoque un chantier : les atomes de manganèse forment des poteaux verticaux rigides, et ceux d'europium des traverses mobiles. Jusqu'à présent, aucun consensus n'existait sur l'angle d'inclinaison de ces traverses au repos ni sur leur rotation lorsque le champ magnétique appuie sur l'échafaudage.

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.

Un cristal, c'est comme une ville : si les rues sont tortueuses, la circulation s'embourbe. Dans un cristal, les rangées d'atomes jouent le rôle des rues, et la circulation, c'est le flux d'électrons. La moindre irrégularité, impureté ou déplacement d'atome fait dévier les électrons.

Un morceau de magnétite, cette pierre de fer banale, se comporte de manière étrange. À température ambiante, il conduit l'électricité, mais il suffit de le refroidir en dessous de moins 150 degrés pour que sa résistance grimpe en flèche. Cette transition, découverte en 1939, est restée inexpliquée pendant près d'un siècle.

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.

Sur une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile qui a explosé — du gaz tombe en permanence. Ce gaz s'accumule aux pôles magnétiques et y forme une montagne. Mais une montagne sur une étoile à neutrons ne ressemble pas à une montagne terrestre : elle n'est pas maintenue par de la roche, mais par les lignes de force du champ magnétique, comme de la limaille de fer sur un aimant.

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'aiguille d'une boussole tourne lentement, mais à l'intérieur de certains matériaux, de minuscules moments magnétiques peuvent s'orienter en des temps difficiles à imaginer. Une équipe de physiciens a calculé comment les faire changer de direction en un millionième de milliardième de seconde. C'est plus rapide qu'un clignement d'œil.

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.

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

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.

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.

Si l'on place un morceau de métal ordinaire dans un champ magnétique intense, il s'échauffe légèrement. Mais certains matériaux font l'inverse : ils refroidissent. C'est ce qu'on appelle l'effet magnétocalorique, sur lequel on construit déjà les réfrigérateurs du futur, sans fréon.

Si l'on chauffe une extrémité d'un conducteur et que l'on maintient l'autre froide, les électrons commencent à se déplacer du chaud vers le froid. Cela crée généralement une tension le long du conducteur, comme l'eau qui s'écoule dans une gouttière inclinée. Mais dans certains matériaux, les électrons dévient latéralement, et la tension apparaît en travers.

Une fine couche du composé de manganèse, de bismuth et de tellure ressemble à un gâteau en couches : chaque couche est un plan atomique, et les moments magnétiques à l'intérieur de la couche sont alignés comme des aiguilles de boussoles.

Des particules minuscules, plus petites qu'un centième de l'épaisseur d'un cheveu, peuvent être des aimants qui ne perdent pas leur force même à 600 degrés Celsius. C'est précisément de telles particules que l'on a fabriquées à partir d'un alliage de nickel, de fer et d'aluminium.

Lorsqu'on refroidit le cristal Fe₄Nb₂O₉ à -272°C, il adopte un motif magnétique où les aiguilles atomiques ne s'alignent pas en rangées, mais s'évasent en éventail. C'est comme si une foule se figeait, chacun regardant dans une direction différente au lieu de fixer la nuque de son voisin.

Le cristal a été refroidi à moins 228 degrés Celsius, et un motif est apparu à sa surface, comme du givre sur une vitre. Mais ce n'est pas l'humidité qui le dessine, c'est le champ magnétique : de minuscules particules de fer en suspension dans un liquide se déposent sur les zones aimantées et révèlent leur emplacement.

Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Si on la découpe en fines bandes, on obtient des nanorubans de graphène. Leurs propriétés dépendent de la façon dont la bande est taillée : comme avec un même morceau de tissu, on peut coudre une nappe lisse ou une jupe plissée. Dans ces nouveaux travaux, des chimistes ont assemblé un ruban de forme asymétrique.

Uranus et Neptune ont longtemps laissé les scientifiques perplexes : leurs champs magnétiques sont fortement inclinés et désordonnés, pas du tout comme celui de la Terre. L'explication se cachait dans une forme inhabituelle de eau — la glace superionique, qui remplit leurs entrailles.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.

D'habitude, pour retourner un aimant dans un dispositif de mémoire, on utilise des métaux lourds comme le platine ou le tungstène. Leurs électrons, lorsqu'un courant les traverse, sont déviés latéralement, comme une foule dans un escalator, et cette déviation transmet un couple de rotation à la couche magnétique.

Le diséléniure de niobium est un matériau en couches qui conduit le courant sans résistance à basse température. Si l'on insère des atomes de nickel entre ses couches, comme des fils supplémentaires dans un tissu, la supraconductivité disparaît.

La température de la pièce baisse de quelques degrés pendant que le réfrigérateur fonctionne sans le moindre compresseur en mouvement. À l'intérieur, pas de fréon, mais un morceau de métal que l'on aimante et désaimante tour à tour.