Placer des matériaux sous des champs magnétiques extrêmement puissants peut donner lieu à des phénomènes ou comportements physiques inhabituels et fascinants. Plus précisément, des études montrent que sous des champs magnétiques supérieurs à 100 tesla (T), les spins (c'est-à-dire les orientations magnétiques intrinsèques des électrons) et les atomes commencent à former de nouveaux arrangements, favorisant de nouvelles phases de la matière ou étirant un réseau cristallin.
Un effet physique qui peut se produire dans ces conditions extrêmes est connu sous le nom de magnétostriction. Cet effet provoque essentiellement l'étirement, le rétrécissement ou la déformation de la structure cristalline d'un matériau.
Lorsque des champs magnétiques supérieurs à 100 T sont produits expérimentalement, ils ne peuvent être maintenus que pendant une durée très courte, généralement pendant quelques microsecondes seulement. En effet, leur génération exerce de grandes contraintes sur les fils utilisés pour produire les champs (c'est-à-dire les bobines), provoquant leur rupture presque immédiatement.
Des chercheurs de l'Université des communications électroniques de Tokyo, du RIKEN et d'autres instituts japonais ont récemment développé un nouvel équipement permettant de produire brièvement des champs magnétiques extrêmement puissants autour de 110 T, puis de capturer la position des atomes dans les matériaux sous ces champs.
Dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueils rapportent de nouvelles informations recueillies lors de l’application de ces méthodes à l’étude de l’oxygène solide.
« L'objectif principal de l'étude est d'explorer le monde extrême des champs magnétiques ultra-élevés de 100 à 1 000 T », a déclaré Akihiko Ikeda, premier auteur de l'article, à Issues.fr. « Dans l'étude, nous avons mené pour la première fois une expérience aux rayons X au-dessus de 100 T, ce qui est important en termes d'exploration de la frontière. »
Capturer des structures cristallines sous des champs magnétiques extrêmes
Pour réaliser leurs expériences, Ikeda et ses collègues ont utilisé un générateur de champ magnétique portable qu'ils ont développé, appelé PINK-02. Ce générateur leur a permis de produire un champ magnétique extrêmement élevé d'environ 110 T pendant quelques microsecondes.
Les chercheurs ont ensuite utilisé la technologie laser pour émettre des impulsions de rayons X XFEL ultrarapides sur des cristaux d’oxygène solides exposés à ce champ magnétique extrêmement puissant. Cette approche leur a permis de capturer des instantanés montrant la position des atomes d’oxygène solides pendant l’impulsion magnétique.
« La nouveauté de notre article est le nouveau générateur portable de 100 T appelé PINK-02, qui est essentiel pour l'étude », a expliqué Ikeda. « Ce générateur a été combiné avec le laser à électrons libres à rayons X, ce qui n'est possible que grâce à la portabilité du PINK-02. »
En fin de compte, l’équipe a analysé les instantanés et comparé les positions des atomes avant et pendant que l’oxygène solide était exposé au champ magnétique 110T. Cela a donné des résultats intéressants, montrant que le cristal a subi une magnétostriction gigantesque et s'est étiré d'environ 1 %.
Faire progresser la recherche en physique de la matière condensée
Les chercheurs ont lié la magnétostriction observée à des interactions de spin et à des forces de réseau concurrentes sous des champs magnétiques puissants. Leurs travaux suggèrent donc que sous des champs magnétiques supérieurs à 100 T, les spins influencent la structure cristalline des matériaux solides, en particulier l'oxygène solide.
À l’avenir, le générateur de champ magnétique qu’ils ont développé et le laser à rayons X qu’ils ont utilisé pourraient être utilisés pour étudier d’autres matériaux dans les mêmes conditions extrêmes.
« Nos résultats démontrent que les spins peuvent affecter la stabilité de la structure cristalline d'un matériau, dans le cas de notre étude, celle de l'oxygène solide », a ajouté Ikeda.
« Nous allons maintenant essayer de découvrir la structure cristalline de l'oxygène solide appelée phase θ, en augmentant encore les champs magnétiques disponibles jusqu'à 120 à 130 T et découvrirons le changement de structure cristalline dans divers matériaux au-dessus de 100 T. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
