Partenaires

CNRS Universite Grenoble Alpes UPS LaNEF INSA TOULOUSE EMFL NEXT

Accueil


Accueil du site > Thèmes de recherche > Résonance Magnétique Nucléaire > Faits marquants > Un nouveau type de cristal magnétique

English

Un nouveau type de cristal magnétique

Un nouveau type de cristal magnétique[K. Kodama et al., Science 298, 395 (2002), (cond-mat/0210294).]

Les spectres RMN obtenus dans le composé SrCu2(BO3)2 à la température de 0.035 kelvins dans la phase ayant une aimantation homogène à 26 teslas (en noir et blanc) et dans le "plateau d’aimantation" à 27.6 teslas (en couleur) sont spectaculairement différents. Le dernier a permis de remonter à la structure du "cristal magnétique".

Dans la plupart des solides magnétiques, lorsqu’on abaisse la température, les moments magnétiques portés par les atomes s’ordonnent entre eux pour former un arrangement ferromagnétique (tous parallèles) ou antiferromagnétiques (moments alternés). Dans ce cas, l’aimantation globale est nulle, mais forte au niveau de chaque atome. Depuis une quinzaine d’années, on a découvert que dans certains solides, généralement très anisotropes [1], la physique à basse température était dominée par les effets quantiques, conduisant à la formation d’un état non magnétique (même au niveau local), que les spécialistes ont baptisés "liquide de spins" [2]. Lorsqu’on applique un champ magnétique à ce genre de système, l’aimantation à très basse température reste nulle jusqu’à un certain champ seuil au delà duquel elle se met à croître, jusqu’à atteindre sa valeur de saturation. Entre le champ seuil et le champ de saturation, les moments magnétiques ne sont pas figés sur certains atomes, mais délocalisés sur tout l’arrangement cristallin, à la manière des électrons dans un métal, de sorte que l’aimantation locale est la même sur chaque atome magnétique. Cependant dans certains composés de dimensionnalité réduite [1], il a été récemment observé que l’augmentation de l’aimantation avec le champ appliqué n’est pas monotone, mais présente des "plateaux" pour certaines valeurs correspondant à des fractions simples 1/8, 1/4, 1/3 de la valeur à saturation. Ces plateaux correspondraient à la formation, à partir du liquide d’aimantation que nous venons de décrire, d’un nouveau type de "cristal magnétique" dans lequel les moments sont localisés et forment une structure complexe, modulée et périodique dans l’espace, mais qui restait à découvrir. De tels plateaux à 1/8, 1/4, 1/3 de la valeur de saturation ont notamment été observés dans le composé SrCu2(BO3)2, où les moments magnétiques sont portés par les atomes de cuivre. Le premier plateau apparaît aux alentours de 28 teslas (plus de cinq cent mille fois le champ magnétique terrestre). A des valeurs de champ aussi intenses, la technique expérimentale la plus adaptée à la détermination des structures magnétiques, la diffraction de neutrons, n’est plus applicable. C’est en fait grâce à une expérience de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) [3] effectuée à très fort champ (27.6 tesla) et à très basse température (35 millièmes de degré au dessus du zéro absolu) qu’une équipe de chercheurs franco-japonaise a pu déterminer pour la première fois la structure de ce "cristal" très particulier [4]. Ces résultats, qui étaient très attendus par les théoriciens du magnétisme quantique, ont été obtenus au Laboratoire des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble, laboratoire franco-allemand géré conjointement par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et la Max Planck Geselleschaft. C’est actuellement le seul laboratoire au monde permettant d’effectuer des expériences de RMN dans des conditions aussi extrêmes.


[1] Les ions magnétiques sont alors arrangés en plans (ou chaînes) qui se conduisent presque indépendamment des plans (chaînes) voisins.
[2] Imaginons que l’on puisse placer un observateur à l’intérieur de chaque atome magnétique : dans le cas ferromagnétique, tous les observateurs sentiront le même champ magnétique, en amplitude et en direction. Dans le cas antiferromagnétique, chaque observateur sentira un champ magnétique de même amplitude, mais la direction s’inversera d’un observateur à l’autre et la somme de toutes les mesures sera nulle. Dans le cas d’un "liquide de spin", et cette propriété ne peut s’expliquer que par la mécanique quantique, chaque observateur mesurera un champ nul ! Un tel "observateur" existe en fait : il est porté par le noyau de l’atome, et les physiciens savent collecter ses mesures par la technique de RMN [3].
[3] La technique de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est plus connue du grand public par ses applications dans l’imagerie médicale (IRM, Imagerie par Résonance Magnétique).