Habituellement, lorsque les matériaux chauffent, ils deviennent plus désordonnés. Maintenant, des chercheurs de l'Université Radboud aux Pays-Bas ont trouvé des preuves que le contraire se produit dans l'élément néodyme, qui développe un ordre à longue portée à mesure que sa température augmente. La présence de cette transition de phase pourrait éclairer le comportement des matériaux connus sous le nom de verres de spin et pourrait également aider au développement de dispositifs de stockage d'informations ou d'informatique neuromorphique.

Les verres de spin tels que le néodyme (Nd) sont une classe spéciale de matériaux magnétiques dans lesquels les spins des particules forment des motifs aléatoires en forme d'hélice en dessous d'une certaine température critique (appelée température du verre de spin). Ils sont souvent considérés comme des aimants désordonnés et sont différents des autres aimants «frustrés» tels que les glaces de spin et les liquides de spin.

Récemment, des chercheurs menés par Alexandre Khajetoriens at Radboud ont découvert que le Nd est un verre de spin auto-induit, ce qui signifie que l'état de verre de spin se produit grâce à des interactions concurrentes d'échange de spin qui découlent de la structure en treillis du matériau. Ces interactions signifient que Nd peut exister dans plusieurs états de faible énergie définis par son vecteur de réseau réciproque (ou vecteur d'onde magnétique) Q.

Tourne "geler" dans un solide

Dans la dernière étude, Khajetoorians et ses collègues ont observé que les spins "se figent" en un solide alors qu'ils chauffaient l'élément de -268 °C à -265 °C. Lorsqu'ils l'ont refroidi à nouveau, les motifs tourbillonnants aléatoires ont réapparu.

Khajetoorians note que l'apparition de cette transition désordre-ordre dans Nd défie la perception commune selon laquelle l'augmentation de la température induit le désordre. Une telle transition ne se produit normalement pas dans les matériaux magnétiques, ajoute-t-il, et elle est également rare dans d'autres matériaux. Une exception est le sel de Rochelle, qui contient des charges qui sont réparties de manière aléatoire à des températures plus basses, mais qui s'accumulent et forment un motif ordonné à mesure que la température augmente.

Dans Nd, le comportement est lié à un phénomène dans lequel de nombreux états différents ont la même énergie, provoquant la frustration du système, expliquent les chercheurs. Une augmentation de la température lève la frustration avec la survie d'une tendance à l'ordre, permettant aux spins de s'installer dans un modèle ordonné sur une longue plage. « Plus précisément, le nouvel État est un soi-disant multi-Q un », raconte Khajetooriens Monde de la physique. "Il y a une phase de haute énergie à basse température et vice versa."

Applications dans le stockage de l'information et l'informatique neuromorphique

L'équipe Radboud a utilisé la microscopie à effet tunnel à polarisation de spin (STM) pour sonder la texture magnétique à la surface de Nd. Ils ont développé deux outils d'analyse qui leur ont permis d'extraire la température de transition vitreuse de spin directement à partir de leurs données mesurées à différentes températures. Ils ont observé de nombreux modèles différents et variant en douceur dans l'élément à 5 K (-268 ° C) et moins de modèles à des températures plus élevées qui étaient clairement séparés par des parois de domaine magnétique.

Les chercheurs ont également comparé leurs observations avec des simulations de dynamique de spin atomistique pour les aider à retracer les origines de l'ordre de haute température inattendu.

Khajetoorians dit que lui et son équipe vont maintenant étudier ce qui se passe lorsque le Nd est aminci, car cela pourrait induire d'autres effets inattendus. Ils aimeraient également tester d'autres matériaux magnétiques pour voir s'ils présentent le même comportement de verre de spin, qui, selon eux, pourraient être exploités pour de nouveaux types de stockage d'informations ou pour développer des ordinateurs neuromorphiques.

Le travail est détaillé dans Physique de la nature.