L'identification de la structure magnétique d'un matériau est une clé pour débloquer de nouvelles fonctionnalités et de meilleures performances dans les appareils électroniques. Cependant, la résolution de structures magnétiques de plus en plus complexes nécessite des approches de plus en plus sophistiquées.

Des chercheurs du Center for Materials Crystallography de l'Université d'Aarhus, Danemark, sont à l'avant-garde d'une nouvelle technique pour résoudre des structures magnétiques très élaborées à l'aide de neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE). Leur objectif est de développer la technique, basée sur l'analyse mathématique de grandes données de diffraction en trois dimensions, pour établir une approche de base pouvant être adaptée à une large classe de matériaux magnétiques avec différentes structures.

« Dans les matériaux magnétiques, beaucoup d'atomes ont un moment magnétique, ou un tour, qui agit comme un très petit aimant. Dans les aimants typiques, comme des aimants pour réfrigérateur, chacun d'eux est aligné dans la même direction et ils se combinent pour former un moment magnétique plus grand, ce qui nous permet de coller des choses à notre réfrigérateur. C'est un exemple de structure magnétique ordonnée, où un motif spécifique est répété encore et encore, " a déclaré Nikolaj Roth, chercheur à Aarhus. " Mais nous sommes plus intéressés par les systèmes désordonnés, ou magnétisme frustré, où il n'y a pas d'ordre magnétique à longue portée. Là où il n'y a pas de modèle fixe de tours, qui se répète. C'est là que toutes sortes de choses intéressantes se produisent."

Bien que le magnétisme « frustré » ou désordonné puisse sembler aléatoire voire chaotique, "ce n'est pas, " explique Roth. Il y a des corrélations entre les spins, ne serait-ce que pour une courte distance, connue sous le nom d'ordre magnétique à courte portée. Si les propriétés dynamiques du magnétisme frustré peuvent être exploitées, ces matériaux pourraient être utilisés pour développer une nouvelle électronique avec des capacités extrêmement avancées. Cette, bien sûr, repose sur la capacité d'identifier plus rapidement les corrélations à courte distance dans les matériaux magnétiques, plus efficacement, et à une échelle beaucoup plus large.

"Il y a quelques années, nous avons développé une nouvelle technique d'analyse des données qui a permis de voir très facilement ces corrélations à courte portée, " dit Roth.

Dans les premières expériences, l'équipe a réussi à calculer les corrélations magnétiques dans un échantillon de bixbyite, un matériau d'oxyde de manganèse et de fer trouvé dans l'Utah. Dans cette expérience de suivi, ils ont utilisé de la bixbyite d'Afrique du Sud qui a un rapport manganèse/fer différent et a donc une structure magnétique légèrement différente.

"Nous bénéficions de l'aide de Mère Nature car nous n'avons pas à synthétiser ces matériaux, ils se trouvent simplement dans le sol, " a déclaré le chercheur Kristoffer Holm. " L'échantillon de l'Utah est d'environ 50:50 de fer au manganèse, alors que celui d'Afrique du Sud est plutôt 70h30. Ce sont des échantillons très proches, et nous espérons qu'ils pourront nous dire comment les différences de composition affecteront leurs corrélations à court terme."

Les neutrons sont bien adaptés à l'étude du comportement magnétique car les particules elles-mêmes agissent comme de minuscules aimants. Les neutrons peuvent pénétrer de nombreux matériaux plus profondément que d'autres méthodes complémentaires; et parce qu'ils sont gratuits, ils interagissent avec les échantillons sans compromettre ni endommager le matériau pour révéler des informations critiques sur l'énergie et la matière à l'échelle atomique.

Par eux-mêmes, les compositions de fer pur et de manganèse pur ont des structures ordonnées à basse température, auquel leurs rotations sont alignées selon un motif répétitif spécifique. Mais quand ils sont combinés, ils deviennent désordonnés et forment un état de "verre de rotation" en dessous de 30 Kelvin (environ moins 400° Fahrenheit), où un modèle complexe d'alignements de spins devient fixe.

L'ordre magnétique à courte portée a un signal faible et est difficile à détecter avec les instruments conventionnels de diffusion de neutrons. Cependant, la ligne CORELLI de la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL fournit un flux élevé, ou un grand nombre de neutrons, avec une matrice de détecteurs qui peut capturer de grands volumes de données rapidement et avec des détails sans précédent. En utilisant CORELLI, l'équipe a pu quantifier la structure magnétique de l'échantillon de bixbyite sud-africain pour faire des comparaisons entre celle-ci et la structure atomique du matériau.

"CORELLI est le seul instrument au monde qui pourrait faire cette expérience comme nous en avons besoin. Il nous permet de mesurer dans toutes les directions, même à des angles élevés, et il le fait très vite, c'est exactement ce dont nous avons besoin pour la technique que nous développons, " a déclaré le chercheur Emil Klahn. " Même si nous pouvions le faire dans une autre installation, cela prendrait des semaines pour faire ce que nous avons pu faire en quelques jours seulement."

L'équipe dit qu'avec une technique entièrement développée, ils seront capables d'étudier des matériaux similaires qui présentent des comportements ou des états de la matière bizarres et inhabituels ; les matériaux candidats comprennent les liquides de spin quantique, faire tourner les glaces, et supraconducteurs non conventionnels. À son tour, ces informations pourraient conduire à un large éventail d'applications électroniques radicalement avancées.