Les gens ne sont pas les seuls à être parfois frustrés. Certains cristaux montrent également des frustrations. Ils le font chaque fois que leurs aimants élémentaires, les spins magnétiques, ne peut pas s'aligner correctement. Chlorure de cuivre de césium (Cs 2 CuCl 4 ) - ou CCC en abrégé - est un excellent exemple de matériaux frustrés. Dans ce cristal, les atomes de cuivre magnétiques résident sur un réseau triangulaire et cherchent à s'aligner de manière antiparallèle les uns aux autres. Dans un triangle, cela ne fonctionne pas, toutefois. Cette frustration géométrique interpelle les physiciens. Après tout, il promet la découverte de nouveaux phénomènes magnétiques qui pourraient même être utilisés pour les ordinateurs quantiques à l'avenir. Pour mieux étudier et comprendre les bases sous-jacentes, des physiciens du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Allemagne, soutenu par des collègues japonais et américains, peut désormais contrôler le couplage magnétique à l'aide d'une méthode de mesure élégante.

"Notre objectif est d'élucider en détail les processus quantiques complexes dans les cristaux géométriquement frustrés, " explique le Dr Sergei Zvyagin du laboratoire de champ magnétique élevé de Dresde au HZDR. Les théories sur le comportement magnétique des cristaux tels que le CCC abondent. Mais jusqu'à présent, les expériences sophistiquées pour tester ces théories sur l'objet lui-même ont fait défaut. À cette fin, il est utile de changer délibérément la force des interactions entre les atomes magnétiques.

Les physiciens de nombreux laboratoires empruntent souvent un chemin fastidieux :ils produisent des cristaux avec frustration géométrique dans une composition chimique légèrement différente. Cela modifie l'interaction magnétique entre les aimants élémentaires, mais parfois aussi, involontairement, la structure cristalline. Zviaguine a quitté ce laborieux, voie purement chimique vers une connaissance plus approfondie. Au lieu, il a utilisé des pressions élevées. Dans ces conditions, la force du couplage des spins magnétiques peut être modifiée de manière quasi-continue.

"Avec la nouvelle méthode, nous pouvons contrôler les paramètres de couplage au sein du cristal et mesurer simultanément les effets sur les propriétés magnétiques, " dit Sergei Zvyagin. Il a reçu les cristaux de CCC pour ses expériences du groupe du Dr Hidekazu Tanaka à l'Institut de technologie de Tokyo. Avec une longueur de bord de quelques millimètres et leur translucidité orange chatoyante, ils rappellent davantage les pierres précieuses de grenat brillant que les cristaux artificiels cultivés en laboratoire.

Toujours au Japon, à l'université du Tohoku à Sendai, Zviaguine et ses collègues ont placé les cristaux dans une presse à haute pression avec des pistons en oxyde de zirconium à haute résistance. Les chercheurs ont progressivement augmenté la pression jusqu'à environ deux gigapascals, une pression similaire à celle exercée par le poids d'une voiture sur une surface de la taille d'une mine de crayon de couleur.

« Sous cette pression, les distances entre les atomes ont très peu changé, " dit Zvyagin. " Mais les propriétés magnétiques du cristal ont montré un changement radical. " Les chercheurs ont pu mesurer ces changements directement en utilisant la résonance de spin électronique (ESR). Ils ont déterminé la transmittance de la lumière (ou plus précisément, micro-ondes) dans un champ magnétique externe très puissant pouvant atteindre 25 Tesla, soit environ un demi-million de fois plus fort que le champ magnétique terrestre. En outre, le cristal a dû être surgelé à -271 degrés Celsius, presque au zéro absolu, afin d'éviter les effets perturbateurs dus à la chaleur.

Ces mesures dans un fort champ magnétique externe ont révélé les propriétés magnétiques très inhabituelles du matériau. Les chercheurs ont pu faire varier la force du couplage entre des spins magnétiques voisins en modifiant la pression. D'autres mesures utilisant une méthode supplémentaire issue de la recherche sur les matériaux - la technique de l'oscillateur à diode tunnel (TDO) - ont complété ces résultats. Les mesures de TDO ont été effectuées, également sous haute pression et dans des champs magnétiques puissants, à la Florida State University à Tallahassee.

En outre, Zvyagin et ses collègues ont trouvé des preuves que le CCC sous haute pression présente une cascade de nouvelles phases avec un champ magnétique croissant, absent à pression nulle. « Grâce à ces mesures, nous faisons maintenant un pas de plus vers une meilleure compréhension de la variété de ces phases, " dit le professeur Joachim Wosnitza, directeur du Laboratoire de champs magnétiques élevés de Dresde.

"L'identification exacte de ces phases est l'un de nos prochains objectifs, " dit Zviaguine. À l'avenir, il entend déterminer les structures exactes de ses cristaux de CCC par diffusion de neutrons. Pour ces régimes, il apprécie les excellentes conditions de recherche offertes par le HZDR avec son réseau international étroit. "Pour moi, c'est un lieu idéal pour mon intérêt pour la recherche fondamentale, " dit le physicien. " Et si nous comprenons les processus quantiques dans ces cristaux à la géométrie frustrée, des applications pourraient également voir le jour."

Joachim Wosnitza voit également un grand potentiel dans les propriétés magnétiques exotiques de ces cristaux. "On pourrait imaginer des systèmes quantiques à longue durée de vie dans lesquels les spins magnétiques peuvent être utilisés de manière contrôlée, " dit Wosnitza. " On ne peut pas encore prévoir si cela mènera à un ordinateur quantique ou à un capteur spécial, cependant." La route vers de telles applications pourrait encore être très longue. Mais avec leurs mesures réussies, les chercheurs du HZDR n'ont aucune raison d'être frustrés, contrairement à leurs échantillons de cristal.