Le titane et l’or ne sont pas magnétiques – à moins de les combiner juste comme il faut.

Des scientifiques de l’université Rice l’ont fait et ont découvert ce qui est une première du genre : un métal antiferromagnétique itinérant – TiAu – fabriqué à partir d’éléments constitutifs non magnétiques.

Bien que les utilisations de cet aimant particulier restent à déterminer, la découverte pourrait améliorer la compréhension scientifique du magnétisme.

Un article en accès libre sur cette recherche paraît dans Nature Communications.

Températures très froides

Ce n’est pas le genre d’aimant que l’on colle sur un réfrigérateur. L’ordre magnétique n’apparaît dans le TiAu que lorsque le métal est refroidi à 36 kelvins, soit environ moins 395 degrés Fahrenheit.

« La magnétisation est une fonction de la température », explique l’auteur principal Eteri Svanidze. « La température de commande de l’aimant apparaît comme une anomalie dans la courbe lisse que nous observons dans ces mesures de magnétisation. »

Pour les aimants courants, cette température est généralement de plusieurs centaines de degrés Fahrenheit, bien plus chaude que n’importe quelle cuisine. Mais l’énergie et l’échelle de température dans les aimants non conventionnels, comme les rares qui n’ont pas d’éléments magnétiques, sont drastiquement réduites.

Svanidze dit que les aimants amélioreront les études d’autres physiques importantes, comme les transitions de phase (comme dans solide-à-liquide ou liquide-à-gaz) qui ont lieu au zéro absolu, appelées transitions de phase quantique.

50 ans plus tard

TiAu est seulement le troisième métal magnétique itinérant connu fabriqué sans éléments magnétiques. Les deux autres, tous deux des ferromagnétiques qui activent leur ordre magnétique à des températures encore plus froides que le TiAu, ont été découverts il y a un demi-siècle. Ce long écart s’explique en partie par le fait que le TiAu est difficile à fabriquer.

« Lorsque nous avons commencé à chercher, nous avons découvert pourquoi 50 ans s’étaient écoulés sans aucune découverte supplémentaire », explique Emilia Morosan, physicienne à Rice. « La plupart des autres candidats possibles étaient problématiques d’une manière ou d’une autre. Ils étaient difficiles à fabriquer, chimiquement instables, toxiques, ou nécessitaient une température élevée qui n’était pas accessible en laboratoire. »

« Nous avons dû écarter de nombreux composés candidats », ajoute Svanidze, qui a travaillé sur le projet pendant six ans en tant qu’étudiant diplômé de Rice.

Mais les calculs de structure électronique ont montré qu’un mélange 1 pour 1 de titane et d’or pourrait avoir les propriétés qu’ils recherchaient.

« Ce n’est pas un nouveau matériau », dit Svanidze. « Ce que nous avons trouvé, ce sont ses propriétés magnétiques, et c’est là que la physique intéressante entre en jeu. »

Des extrêmes magnétiques

Les matériaux deviennent généralement magnétiques lorsqu’ils sont exposés à un champ qui amène les moments magnétiques de ses atomes à s’aligner. Pensez à chaque atome ou ion comme à un minuscule aimant autonome qui peut s’aligner avec les ions magnétiques voisins, comme l’aiguille d’une boussole.

Le moment magnétique d’un matériau peut être local (lié à un atome spécifique) ou itinérant (non lié à un seul atome). Les vagabonds itinérants peuvent étendre leur influence sur plus d’un atome, facilitant les communications entre leurs états de spin « haut » ou « bas ». Ils permettent également des choses pratiques comme la conductivité électrique dans les métaux.

Les moments atomiques dans les ferromagnétiques à moment local – c’est-à-dire les matériaux magnétiques courants – alignent tous leurs spins dans la même direction. Dans un antiferromagnétique, les moments atomiques s’alignent dans des directions opposées.

Morosan dit qu’il est important de connaître ces extrêmes dans le comportement magnétique.

« Théoriquement, nous comprenons assez bien le magnétisme à moment local, et nous avons une certaine compréhension du moment itinérant, mais la plupart des véritables systèmes vivent vraiment entre les deux », dit-elle. « Nous devons comprendre les extrêmes afin de comprendre la physique de ce qui se passe entre les deux. »

« Je pense que la partie la plus significative est qu’un tel phénomène est très rare », dit Jiakui Wang, un autre étudiant diplômé du laboratoire Morosan et co-auteur de l’article. « C’est la première fois qu’un tel matériau antiferromagnétique est découvert, c’est donc fondamentalement significatif. Cela rend notre compréhension du magnétisme plus profonde. »

Morosan dit que les découvertes scientifiques fondamentales ont souvent besoin de temps pour donner naissance à des applications.

« Mon espoir est que nous puissions éventuellement trouver suffisamment de ces systèmes pour mieux les comprendre. Nous saurons alors à quoi nous avons affaire et nous pourrons fabriquer des composés ayant les propriétés exactes que nous recherchons. »

Les autres chercheurs qui ont collaboré au projet viennent du National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University, de l’université Columbia, du National Institute of Standards and Technology et du Brookhaven National Laboratory.

La National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative, la Welch Foundation, le Department of Energy, la Florida State University, l’Agence japonaise de l’énergie atomique et la Friends of Todai Inc. Foundation ont soutenu ce travail.