Vers la réalisation d’un nouvel état magnétique, le liquide de spins

4 mai 2007

Un matériau récemment synthétisé pourrait présenter des propriétés magnétiques particulières prédites théoriquement en 1973 mais jamais encore observées : le liquide de spin.

Dans les milieux magnétiques, à l’échelle microscopique, chaque atome se comporte comme un petit aimant élémentaire, le "spin". A cause des interactions entre atomes voisins, les aimants élémentaires ont, dans certains matériaux, tendance à s’orienter tête-bêche : c’est ce que l’on appelle l’ordre antiferromagnétique. Cependant, lorsque trois atomes sont placés au sommet d’un triangle équilatéral, les interactions sont contradictoires : le second mini-aimant s’oriente en sens inverse du premier, le troisième en sens inverse du second et donc … dans le même sens que le premier. On trouve ainsi nécessairement deux atomes de même orientation côte à côte, une situation "frustrée".

Aucune loi physique ne fixe le coté du triangle pour lequel les deux spins sont parallèles. Par conséquent, même à basse température, les aimants microscopiques ne se fixent pas dans une position mais peuvent changer d’orientation. Pour cette raison, cet état particulier est appelé liquide de spin. L’analyse théorique de ce phénomène fut proposée en 1973 par le physicien Anderson mais aucun système physique n’avait jusqu’à présent permis de l’observer.

Un composé de synthèse Cu₃Zn(OH)₆Cl₂ où les triangles de spin sont arrangés en réseau kagomé, proche cousin d’un minéral découvert en 2004 dans les mines chiliennes, pourrait bien être la première réalisation expérimentale de cet état. L’absence d’ordre magnétique a été sondée à l’échelle atomique, à quelques dizaines de milliKelvins, en utilisant l’une des sondes les plus sensibles qui soit, le muon implanté, disponible dans des installations de type grand instrument.

La porte est ouverte vers une confrontation longtemps attendue entre théorie et expérience. Un triangle non frustrant théorie – matériaux – expérimentateurs en physique !

: Le concept de frustration : l’antialignement de 3 moments est impossible quand ceux-ci sont disposés aux sommets d’un triangle équilatéral.

: Motif de panier très répandu au Japon : "kagomé" ; c’est le réseau le plus populaire pour stabiliser un état liquide de spins.

: L’état liquide de spins sur un réseau kagomé : les aimants individuels s’associent par paires qui se délocalisent de manière résonante. L’état de base est une superposition de tels arrangements de paires.

En savoir plus

Quantum magnetism in paratacamite family : Towards an ideal kagome lattice,, P. Mendels et al. , Physical Review Letters (17 février 2007) 98 077204 http://link.aps.org/abstract/PRL/v9...
New candidate emerges for a quantum spin liquid, Physics Today (février 2007), p. 16.