La nature dans le mauvais sens

Les physiciens ont observé un nouveau type de comportement étrange dans un matériau magnétique lorsqu’il est chauffé. Les spins magnétiques « gèlent » en un motif statique lorsque la température augmente, un phénomène qui se produit normalement lorsque la température diminue. Ils publient leurs découvertes dans Physique naturelle le 4 juillet^e.

Les chercheurs ont découvert le phénomène dans le matériau néodyme, un élément qu’ils ont décrit il y a plusieurs années comme un “verre de spin auto-induit”. Les verres de spin sont généralement des alliages dans lesquels des atomes de fer, par exemple, sont mélangés au hasard dans une grille d’atomes de cuivre. Chaque atome de fer se comporte comme un petit aimant ou un spin. Ces spins placés au hasard pointent dans toutes sortes de directions.

Contrairement aux verres de spin conventionnels, où il y a un mélange aléatoire de matériaux magnétiques, le néodyme est un élément et, sans quantités significatives d’aucun autre matériau, présente un comportement vitreux sous sa forme cristalline. Les spins forment des motifs qui tourbillonnent comme une hélice, et ce tourbillon est aléatoire et change constamment.

Modèle solide lorsqu’il est chauffé

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont découvert que lorsqu’ils chauffaient le néodyme de -268 °C à – 265 °C, les spins « gèlent » en un motif solide formant une sorte d’aimant, à la température la plus élevée. Lors du refroidissement du matériau, les motifs d’hélices tourbillonnantes aléatoires sont revenus. «Ce “gel” du motif ne se produit normalement pas dans les matériaux magnétiques», explique Alexander Khajetoorians, professeur de microscopie à sonde à balayage à l’université Radboud.

La température augmente l’énergie d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz. Il en va de même pour un aimant : avec plus de température, les spins commencent à trembler. « Le comportement magnétique du néodyme que nous avons observé est en fait l’opposé de ce qui se passe « normalement ». C’est assez contre-intuitif, comme l’eau qui devient un glaçon lorsqu’elle est chauffée », explique Khajetoorians.

Ce genre de phénomènes ne se retrouve pas souvent dans la nature. Il existe très peu de matériaux connus qui se comportent de manière incorrecte. Un autre exemple bien connu est le sel de Rochelle, où les charges s’accumulent et forment un motif ordonné à haute température, où à basse température, elles sont réparties de manière aléatoire.

Comment ça fonctionne

La description théorique complexe des verres de spin a fait l’objet du prix Nobel de physique décerné à Parisi en 2021. Comprendre le fonctionnement de ces verres de spin a également une importance pour d’autres domaines scientifiques. “Si nous pouvons finalement modéliser le comportement de ces matériaux, cela pourrait également être extrapolé au comportement d’un large éventail d’autres matériaux.”

Le comportement étrange sous-jacent était lié au concept de dégénérescence : où de nombreux états différents ont la même énergie, et le système devient frustré. L’effet de la température est de briser cette situation difficile : certains états survivent, permettant au système de s’installer clairement dans un schéma. Nous pouvons également être en mesure d’exploiter ce comportement vers de nouveaux types de stockage d’informations ou de concepts informatiques, comme l’informatique cérébrale.