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Et si l’on pouvait agrandir un cristal des millions de fois afin d'observer à l’œil nu ce qui se passe à l’intérieur de la matière ? À Grenoble, des chercheurs fabriquent des cristaux magnétiques artificiels qui permettent de reproduire certains comportements inhabituels de la matière. Une approche originale qui rend visibles des phénomènes physiques inaccessibles, et qui permet de tester certains modèles théoriques.

 Réseau de nano-disques magnétiques formant un liquide de spin. Les disques ont un diamètre de 400 nm et une épaisseur de 40 nm. Leur magnétisme, c’est-à-dire la direction « up » ou « down » de leur aimantation, apparaît en noir ou en blanc. © Image extraite de Chioar et al., Phys. Rev. B 2014, doi:10.1103/PhysRevB.90.064411

Dans les matériaux magnétiques, les interactions qui régissent les comportements de la matière s’exercent en général à des distances très courtes, de l’ordre d’une fraction de nanomètre. À cette échelle, il est particulièrement difficile de sonder des propriétés magnétiques locales pour comprendre comment des phénomènes macroscopiques, mesurables à l’échelle du matériau, résultent d’interactions élémentaires entre atomes voisins.

À l’Institut Néel (CNRS), laboratoire de recherche en physique de la matière condensée situé à Grenoble, Nicolas Rougemaille et Johann Coraux, chercheurs CNRS, associent leurs expertises pour contourner cette difficulté en créant des réseaux d’aimants de quelques centaines de nanomètres, assemblés comme le sont les atomes d'un cristal. Ces cristaux magnétiques artificiels de nano-aimants constituent alors de véritables laboratoires miniatures où il devient possible de reproduire, manipuler et contrôler des comportements complexes de la matière, à une échelle suffisamment grande pour être photographiés.

Voir un liquide magnétique

Dans ces réseaux artificiels, chaque nano-aimant est soumis à l’influence magnétique de ses voisins immédiats. Selon les paramètres expérimentaux, elle peut donner lieu à des interactions attractives ou répulsives et faire émerger des comportements collectifs qui rappellent les trois états de la matière. Si le solide et le gaz correspondent à des phrases magnétiques conventionnelles, réaliser l’analogue d’un liquide, de manière ad hoc, n’a rien d’évident.

Ces dernières années, des chercheurs de l’Institut Néel sont parvenus à mettre au point des réseaux bidimensionnels de nano-aimants reproduisant un comportement de type liquide : ils visualisent, directement dans l’espace réel, cet état de la matière désordonné dans lequel persistent des corrélations fortes entre moments magnétiques (spins) voisins, contrairement au cas du gaz où celles-ci sont nulles. On parle alors de liquide de spin artificiel.

« Alors qu’observer un liquide à l’échelle d’une molécule unique est presque impossible d’un point de vue expérimental, pouvoir en visualiser l’analogue dans un système magnétique, certes artificiel, est assez fascinant ! », s’enthousiasme Johann Coraux, rappelant que cette avancée a permis aux équipes de l’Institut Néel de s’imposer comme une référence dans le domaine des réseaux de nanostructures magnétiques. En visualisant des réseaux de quelques milliers de nano-aimants, et en déterminant l’état magnétique de chacun d’entre eux pris individuellement, il devient dès lors possible d’observer, spin par spin, des phénomènes magnétiques complexes, longtemps prédits par des modèles théoriques.

 Réseau d'îlots magnétiques de dimensions 500x100x30 nm (en rouge), reposant dans une direction sur un matériau non magnétique (en jaune). Cette géométrie permet de réaliser un liquide de spin particulier - la glace carrée - resté jusqu'alors un modèle purement théorique. © Image adaptée de Perrin et al., Nature 2016, doi:10.1038/nature20155

Transport de charges magnétiques

Mais la réalisation d’un liquide de spin artificiel n’est qu’une première étape. En effet, cet état de la matière magnétique présente une multitude de propriétés surprenantes, parfois contre-intuitives. Par exemple, lorsque l’on perturbe un liquide de spin, des excitations magnétiques locales, qui n’ont pas d’équivalents dans les liquides habituels, peuvent être générées. Et curieusement, ces excitations se comportent de manière analogue à des charges électriques. « Il ne s’agit bien entendu pas de particules élémentaires, mais plutôt de défauts locaux purement classiques », précise Nicolas Rougemaille. Néanmoins, une fois créées, ces quasi-particules peuvent se déplacer librement dans le réseau ou être mises en mouvement par l’application d’un champ extérieur, comme pourrait l’être une paire électron / trou dans un matériau semi-conducteur. À ceci près que la charge ici, n’est pas électrique, mais d’origine magnétique : on parle de monopoles magnétiques.

L’enjeu désormais, est de suivre en temps réel le déplacement de ces quasi-particules dans des réseaux artificiels, pour en sonder leurs propriétés et, in fine, confirmer ou infirmer des prédictions théoriques récentes. C’est ce que s’attachent à faire Nicolas Rougemaille et Johann Coraux dans le cadre du projet ArtMat [1] (Matière magnétique artificielle et électronique de spin artificielle), soutenu par l’Agence nationale de la recherche depuis 2023. L’originalité de leur approche est d’étudier des systèmes où des interfaces séparent des états magnétiques différents (un liquide et un solide, par exemple), similaires en quelque sorte aux jonctions entre deux matériaux semi-conducteurs dans les composants électroniques.

Les chercheurs veulent comprendre en particulier ce qui arrive lorsqu’une quasi-particule passe d’un matériau artificiel à un autre : est-elle réfléchie par l’interface ou est-elle transmise ? Et change change-t-elle de nature en changeant de phase ? En répondant à ces questions, les physiciens espèrent apprendre à contrôler et à guider ces quasi-particules. À long terme, ces travaux pourraient contribuer au développement de nouveaux matériaux capables de transporter et de traiter l’information grâce à leurs propriétés magnétiques.

Des expériences au service des concepts

Au-delà de ces retombées potentielles, Nicolas Rougemaille insiste sur un autre objectif : « créer des ponts entre des domaines de la physique qui ne communiquent habituellement pas entre eux ». Les mêmes lois physiques peuvent en effet décrire des phénomènes divers, et les concepts développés à partir des cristaux magnétiques artificiels trouvent des échos non seulement en électronique, comme dans le cas du projet ArtMat, mais aussi en physique statistique ou dans l’étude des liquides. Cette approche transversale montre, à travers des exemples concrets, qu’un même cadre théorique peut s’appliquer à des systèmes distincts, ce qui permet un enrichissement mutuel entre disciplines.

Dans le projet ArtMat, cette volonté de rendre la physique tangible, et observable par tout un chacun, passe également par la réalisation de liquides de spin artificiels à une échelle centimétrique plutôt que nanométrique. Des réseaux composés d’une centaine de billes magnétiques en interaction, de taille millimétrique et mobiles dans des cavités préalablement gravées dans une plaque de 20 cm de côté, se révèlent eux aussi capables de former un liquide de spin. Avec ce dispositif a priori simple de « physique sur table », les chercheurs ont reproduit récemment un comportement prédit il y a plus de 70 ans, mais jamais observé auparavant. Désormais, ce démonstrateur pourra être utilisé en médiation scientifique pour partager ces découvertes avec le grand public, en lui mettant sous les yeux des phénomènes surprenants, défiant souvent l’intuition.

Cette démarche multi-échelle illustre la philosophie de Nicolas Rougemaille et Johann Coraux, qui s’efforcent de « donner corps à des concepts, en les observant directement et en les mettant à l’épreuve de l’expérience ». Car si les cristaux magnétiques artificiels permettent de confronter des prédictions théoriques à l’expérience, ils révèlent aussi régulièrement des comportements inattendus, qui enrichissent notre compréhension des propriétés de la matière et ouvrent de nouvelles pistes de recherche.

[1] Partenaires du projet ArtMat : Institut Néel (CNRS) et Institut Jean Lamour (IJL - CNRS / Université de Lorraine)

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Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence nationale de la recherche (ANR) au titre du projet ANR - ArtMat - AAPG22. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJC et PRC AAPG 22).