Cependant, une équipe de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa, dirigée par Yejun Feng et Margarita Dronova, en collaboration avec des scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge et de l’université du Tennessee, montrent qu’il n’en est rien : l’apparition du #verre_de_spin n’a pas de lien direct avec la formation de cet ordre local.
Dans un matériau magnétique, chaque atome porte un spin qui se comporte comme une petite boussole, pointant vers une direction donnée. Ces boussoles s’influencent mutuellement par leurs interactions magnétiques. Lorsque cette influence se propage à l’ensemble du cristal, tous les spins finissent par adopter une orientation cohérente dans toute la matière : c’est l’ordre à longue portée, que l’on retrouve dans les matériaux ferromagnétiques (où tous les spins s’alignent dans le même sens) et les antiferromagnétiques (où les spins sont alignés mais les sens alternent d’un voisin à l’autre). Cette cohérence ne s’étend pas toujours aussi loin. Il arrive qu’un spin ne s’arrange qu’avec ses quelques voisins immédiats, sans que cet arrangement local se propage au reste du cristal. On obtient alors une multitude de petits groupes ordonnés entre eux, mais sans lien les uns avec les autres : c’est l’ordre à courte portée.
Toutefois, il arrive parfois qu’aucun ordre ne s’établisse. Pour le comprendre, imaginons des spins qui ne peuvent pointer que vers deux directions opposées et sont disposés aux trois sommets d’un triangle. Chacun voudrait s’orienter à l’inverse de ses deux voisins, comme dans un matériau antiferromagnétique. Deux d’entre eux y parviennent en pointant en sens contraires l’un de l’autre. Mais le troisième est coincé : quelle que soit son orientation, il contredira forcément l’un des deux autres. C’est ce qu’on appelle la « frustration magnétique ». À l’échelle d’un cristal entier, comportant une grande proportion de spins ainsi contraints, il n’existe plus une seule façon d’arranger l’ensemble qui satisfasse toutes les interactions à la fois, mais une multitude. Le verre de spin est alors perpétuellement dans des états métastables : des arrangements de spins qui ne sont pas la configuration la plus stable possible, mais suffisamment stables pour que le système y reste piégé un long moment. C’est précisément ce qui définit un verre de spin : « Une distribution aléatoire de spins qui donne naissance à des interactions contradictoires et donc à énormément d’états métastables, entre lesquels le système évolue extrêmement lentement », résume Éric Vincent, physicien au CEA-Iramis.
Quand la température est élevée, l’agitation thermique suffit pour basculer d’une configuration à une autre. Mais quand la température baisse, le système finit par se figer dans un état unique, métastable mais qui perdure longtemps.
Comment repérer, dans un cristal réel, la frontière entre cet état gelé et les autres formes d’ordre magnétique ? « L’émergence du verre de spin était généralement associée à la formation d’un ordre à courte portée », résume Yejun Feng. Pour le vérifier, le chercheur et son équipe n’ont pas étudié directement un verre de spin. Ils sont plutôt partis d’un matériau antiferromagnétique, la ferrite de zinc, dont ils ont suivi, étape par étape, la transformation d’un ordre parfait en désordre, en substituant progressivement des ions de gallium, non magnétiques, à des ions de fer dans le cristal.
À chaque niveau de substitution, trois mesures complémentaires ont été effectuées : la susceptibilité magnétique, qui repère la température à laquelle les spins se figent en verre de spin ; la capacité calorifique, qui signale le développement des corrélations magnétiques et donc d’un certain ordre ; et la diffusion magnétique de neutrons, qui mesure sur quelle distance les spins restent corrélés entre eux : une façon de voir la taille réelle des petits groupes ordonnés à chaque température.
Dans le cristal de ferrite de zinc le plus pur (et donc antiferromagnétique), les températures caractéristiques identifiées par la susceptibilité magnétique et la capacité calorifique coïncident. En effet, un matériau antiferromagnétique perd lui aussi son organisation quand l’agitation thermique devient trop forte. La température de transition est nommée « température de Néel ». Mais à mesure que les chercheurs introduisent du gallium et qu’on s’écarte de la configuration antiferromagnétique, les deux températures se séparent. Celle de la capacité calorifique chute d’abord nettement en dessous de celle de la susceptibilité, avant de remonter au-delà à des taux de substitution plus élevés. Dans plusieurs cristaux dopés au gallium, les spins se figent donc en verre de spin à une température plus élevée que celle qui est associée au développement des corrélations magnétiques entre spins. Autrement dit, une partie des spins du cristal se fige en verre de spin avant même que l’ordre n’ait fini de se constituer dans le matériau. « Notre travail suggère ainsi que le gel du verre de spin et la formation d’une corrélation entre les spins sont deux phénomènes distincts, qui peuvent apparaître à des températures différentes, conclut Yejun Feng. Jusqu’à présent, puisqu’on écrivait un terme d’interaction entre spins dans les équations pour décrire un verre de spin, on présupposait forcément que ces spins étaient corrélés entre eux. Mais nos expériences montrent qu’en fait les spins ne se voient pas forcément les uns les autres. » Le spin d’un verre de spin reste donc libre et met beaucoup de temps à se réorienter.
