Les matériaux magnétiques qui forment des structures hélicoïdales - des formes enroulées comparables à un escalier en colimaçon ou aux brins en double hélice d'une molécule d'ADN - présentent parfois un comportement exotique qui pourrait améliorer le traitement de l'information dans les disques durs et autres appareils numériques.

Une équipe de recherche de l'Université d'État du Colorado utilise des neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie (DOE) pour étudier un de ces matériaux, Fe3PO7. Bien que les structures hélicoïdales soient généralement formées par des moments magnétiques qui s'enroulent autour d'un axe dans une direction définie, les chercheurs ont découvert que Fe3PO7 ne choisit pas une direction particulière et ne permet qu'à des structures hélicoïdales à courte portée de se former. Ces structures peuvent fournir de nouvelles capacités technologiques.

"Parce que la direction de l'hélice varie dans l'espace, il a ce qu'on appelle un ordre partiel, ce qui signifie qu'il n'y a pas de direction définie pour l'axe hélicoïdal à pointer, " a déclaré le professeur adjoint Kate Ross, qui est également un ancien président du groupe d'utilisateurs SNS-HFIR de l'ORNL.

En déterminant la structure magnétique de Fe3PO7 à l'aide de l'instrument diffractomètre à quatre cercles, ligne de lumière HB-3A au réacteur à isotope à haut flux (HFIR) de l'ORNL, les chercheurs espèrent identifier les facteurs sous-jacents contribuant à cette structure magnétique hélicoïdale inhabituelle. Les neutrons ont leur propre "spin" (un élan intrinsèque), les rendant sensibles au magnétisme à l'intérieur des matériaux, ce qui signifie qu'ils sont l'outil idéal pour la tâche.

Le petit échantillon de cristal de l'équipe est antiferromagnétique, ce qui signifie que chaque spin sur le réseau atomique tente de faire face à la direction opposée de son spin voisin. Cependant, Fe3PO7 forme un treillis à base d'unités triangulaires qui rend cet arrangement impossible, résultant en une impasse atomique appelée "frustration". Ces qualités clés peuvent éclairer l'enquête de l'équipe sur la structure magnétique non conventionnelle.

"Nous pensons qu'il existe une possibilité intéressante qui pourrait potentiellement expliquer l'ordre hélicoïdal partiel de ce matériau et les corrélations à courte portée, qui sont tous deux inhabituels à voir dans un matériau à l'état solide, " dit Ross.

Ce phénomène pourrait être causé par des régions d'aimantation torsadées appelées "skyrmions" qui perturbent les schémas de spin magnétique. Selon Ross, ces antiferromagnétiques, les défauts « de type hérisson » pourraient faire avancer le domaine de la spintronique, qui implique de manipuler le spin des électrons pour améliorer le stockage d'informations magnétiques et d'autres applications.

Après avoir analysé leurs données, les chercheurs prévoient de mener des études supplémentaires axées sur la dynamique de Fe3PO7 pour confirmer ce scénario.

Ross a étudié le magnétisme frustré depuis ses années de premier cycle, et le sujet continue de la fasciner et de l'inspirer aujourd'hui. Elle décrit son équipe comme des explorateurs à la recherche de phases magnétiques intéressantes qui arrivent souvent à des conclusions inattendues.

"C'est ce qui m'intéresse vraiment dans ce genre de projets, " a-t-elle dit. " Vous pouvez vous diriger dans une direction basée sur une bonne idée et ensuite être détourné pour en apprendre davantage sur quelque chose de complètement différent. "