Explorer les interactions entre magnétisme, ferroélectricité et supraconductivité permet de mieux comprendre les comportements émergents de la matière. Un pas de plus vers une physique des matériaux aux propriétés contrôlées.

Certains matériaux ont plus d’un tour dans leur structure. Tantôt isolants ou métalliques, parfois même supraconducteurs, ils semblent capables de changer de personnalité au gré des conditions extérieures. C’est cette multiplicité d’identités que Victor Balédent, enseignant-chercheur Université Paris-Saclay et physicien au Laboratoire de physique des solides^[1], cherche à comprendre. Au cœur de son projet COCOM [3]^[2] : un cristal quasi unidimensionnel aux comportements fascinants. Ces travaux sont financés par l’Agence nationale de la recherche (ANR) qui soutient l’excellence de la recherche et l’innovation française aux niveaux national, européen et international.

Trois ordres, un seul cristal

À l’échelle microscopique, les matériaux ne sont jamais vraiment au repos. Les électrons s’y déplacent, interagissent, s’alignent… Et parfois, leur comportement collectif donne naissance à ce que les physiciens appellent des « ordres ». Le cristal du projet (BaFe₂Se₃), composé de baryum, de fer et de sélénium, en présente trois.

Le plus familier est l’ordre magnétique. Dans un aimant, les petits moments magnétiques des électrons (les spins) s’alignent dans la même direction. C’est cette cohésion qui fait tenir une photo sur un frigo. L’ordre ferroélectrique repose sur un léger décalage entre charges positives et négatives dans le cristal, créant un minuscule champ électrique interne — une sorte de nano-pile au cœur de la matière. Puis, il y a l’ordre supraconducteur qui surgit à très basse température. Les électrons circulent alors sans aucune résistance, comme un train lancé à pleine vitesse sur des rails parfaitement lisses.

Un matériau qui défie les règles

Ce qui a motivé les scientifiques de COCOM, c’est que BaFe₂Se₃ ne devrait pas se comporter ainsi. Dans ce cristal, les électrons se déplacent le long de petits filaments internes. Théoriquement, cette architecture quasi unidimensionnelle ne permet pas l’apparition d’ordres collectifs. « Pourtant, on observe bien un ordre magnétique et une supraconductivité sous pression. C’est ce paradoxe qui fait tout l’intérêt de ce système », souligne le physicien.

Pour en comprendre les rouages, l’échantillon est bombardé, refroidi, comprimé. « Nous nous intéressons aux zones frontières, les moments où une propriété peut céder sa place à une autre. C’est là que les comportements sont les plus révélateurs », précise-t-il. Le chercheur et son équipe, ont, en effet, mobilisé une panoplie d’expériences sur des grands instruments : diffraction de rayons X, spectroscopie infrarouge, diffusion de neutrons… Cette combinaison rare permet d’observer les déplacements atomiques, les vibrations collectives du réseau (les phonons), ou encore les états magnétiques. Le projet a également validé un dispositif expérimental inédit : un cryostat permettant la rotation — et donc l’orientation de l’échantillon — sous pression et à basse température, désormais utilisé sur d’autres instruments.

Compétitions et effets croisés

Dans le monde des solides, les ordres peuvent coexister ou se faire concurrence. Parfois, leur interaction est impossible : la supraconductivité et le magnétisme, par exemple, semblent s’exclure mutuellement. Mais dans d’autres cas, les ordres s’influencent pour donner naissance à des propriétés inattendues.

« Au sein de notre matériau, nous avons montré que sous pression, le même ordre magnétique réapparaît systématiquement juste avant que le matériau ne devienne supraconducteur », note Victor Balédent. Cette régularité suggère un comportement universel dans cette famille de composés. Une piste précieuse pour mieux comprendre les mécanismes qui régissent la supraconductivité.

Le projet a aussi révélé une propriété insoupçonnée : la ferroélectricité à température ambiante. « Il s’avère que notre matériau peut devenir un isolant multiferroïque. Cela signifie qu’il conduit mal l’électricité et qu’il combine un ordre magnétique et un ordre électrique qu’on pensait incompatibles », précise le chercheur. Résultat : il devient possible de modifier son ordre électrique avec un aimant, ou d’influencer son magnétisme grâce à un champ électrique.

Ce qu’on ignore encore

La supraconductivité est un phénomène physique déjà utilisé dans différentes applications, notamment dans les IRM, mais de nombreuses questions persistent sur ce phénomène physique. Les scientifiques de COCOM comptent bien s’attaquer à l’une d’elle qui a émergé pendant le projet : pourquoi l’ajout d’une grande quantité d’électrons ne suffit-il pas à transformer son cristal en un métal à température ambiante, comme cela est usuellement le cas ? Une anomalie qui rappelle que la physique des matériaux n’a pas encore livré tous ses secrets.