Les matériaux sont également frustrés
2017/08/11 Irene Urcelay-Olabarria - Ingeniaritza Eskolako irakasle atxikia Fisika Aplikatua I SaileanEHU Iturria: Elhuyar aldizkaria
Combien de fois se passe-t-il que quelque chose se prépare pendant longtemps et que quelque chose gâche au dernier moment notre projet? Ou vouloir des choses avec la même volonté, mais ne pas pouvoir les remplir toutes en même temps ? Dans la plupart des cas, nous sentons un mauvais corps que nous ne pouvons pas éviter, c'est-à-dire frustration. Cependant, donner une solution à la situation qui nous frustre n'est pas toujours impossible. Pour cela, nous devons changer le point de vue, développer de nouvelles idées ou s'adapter à une nouvelle situation que nous n'avions pas attendue. Et c'est que, souvent, les nouveaux résultats inattendus nous remplissent plus que ce que nous attendions et sont beaucoup plus intéressants que nous ne l'imaginons. Donc, même si la frustration elle-même est négative, trouver des moyens de sortir de là peut être très enrichissant.
Mais que dire des matériaux ? Les matériaux ne veulent ni désirs, ni sentiments, mais dans certains contextes, il est dit que les matériaux sont également frustrés. Ils veulent atteindre un objectif, mais pas. Ainsi, les matériaux se sentent obligés de trouver une solution intermédiaire. Cela fait apparaître des caractéristiques spéciales dans les matériaux.
Pour voir comment les matériaux peuvent être frustrés, nous allons examiner leurs caractéristiques magnétiques. Quand on parle de matériaux magnétiques, en général, l'image qui vient d'abord à l'esprit est d'un aimant, mais il y a aussi d'autres types de matériaux magnétiques. La caractéristique commune de chacun d'eux est que, parmi les atomes qui composent le matériau, certains sont pour le moment magnétique. Pour faire une idée, les atomes avec des moments magnétiques peuvent être considérés comme des aimants microscopiques, avec pôle nord et pôle sud magnétique.
Supposons un matériau avec des atomes magnétiques d'un seul type. Dans ce matériau magnétique, nous aurons des millions d'atomes magnétiques, c'est-à-dire des millions d'aimants. Comme un aimant exerce une force sur l'autre lorsque nous nous rapprochons de deux aimants macroscopiques, des interactions magnétiques (NR) se produisent entre les moments magnétiques présents dans le matériau magnétique. Dans les matériaux, ces interactions peuvent être en général de deux types : celles qui font que deux aimants contigus sont placés parallèlement (matériel ferromagnétique) ou qui les placent de manière antiparallèle (matériel antifromagnétique). Ainsi, lorsque l'interaction est ferromagnétique, l'interaction est positive, c'est-à-dire EE 0, de sorte que les moments magnétiques sont alignés en configuration parallèle. Cependant, lorsque l'interaction est antifromagnétique, la CE et les aimants s'alignent sur une configuration parallèle.
Dans des matériaux magnétiquement frustrés, toutes les interactions magnétiques ne sont pas simultanées. Autrement dit, les obligations découlant des différentes directions d'un atome magnétique sont incompatibles et, par conséquent, le moment magnétique de cet atome ne sait pas comment le situer par rapport aux moments magnétiques des autres atomes qui le flanquent. Pour clarifier tout cela, nous utiliserons un exemple. Supposons que les atomes magnétiques se trouvent dans un réseau triangulaire et que toutes les interactions ont la même valeur. Si l'interaction entre les crochets consécutifs est ferromagnétique (CE), toutes les interactions peuvent être réalisées en parallèle en mettant tous les moments. Cependant, si EE négoci0 n'est pas possible de réaliser toutes les interactions en même temps et que le système obtient une structure intermédiaire, il n'y a pas de problèmes pour placer deux des trois moments magnétiques, en les plaçant tous deux de manière antiparallèle. Mais que pouvez-vous faire avec le tiers? Cette dernière ne peut pas être placée en parallèle avec les deux autres simultanément. Par conséquent, le matériel ne sait pas quoi faire, il se sent frustré et, pour sortir de cette situation, le matériel obtient des configurations intermédiaires, ni parallèles ni strictement antiparallèles. En raison de ces structures magnétiques spéciales, le matériau présente souvent des caractéristiques particulières qui peuvent conduire à la polarisation électrique. Les matériaux à structure magnétique et polarisation électrique peuvent être d'un grand intérêt pour les applications technologiques comme la construction de capteurs et de mémoires d'information.
Analysons un cas particulier dans lequel la frustration magnétique produit des structures magnétiques complexes et l'une d'elles est à l'origine de la polarisation électrique. Dans les années 1990, les structures magnétiques du matériau MnWO4 ont été étudiées. Dans ce matériau, le seul atome magnétique est le manganèse, Mn. Ce matériau présente trois structures ou phases magnétiques à basse température au-dessous de 13,5 K (voir figure 3). Dans la première phase qui apparaît à la baisse de la température, les moments magnétiques se situent dans le plan ac, à 35º de l'axe a (direction n) et leurs amplitudes ou longueurs varient d'un atome à l'autre (figure 3a). Dans la phase centrale (Figures 3b et 3c), les moments magnétiques sont ajoutés au composant b, et de cette façon ils sont placés sur le plan qui génèrent les directions n et b. Comme on le voit dans la figure 3b, si la projection de la structure magnétique se fait sur le plan ab, il semble que les moments magnétiques tournent. Dans la dernière structure (figure 3d), le composant b des moments magnétiques est perdu et les moments magnétiques reviennent dans la direction n avec la même longueur dans la configuration ++-. Autrement dit, les moments sont parallèles par paires et chaque couple est antiparallèle au couple latéral.
L'origine de cette succession de structures magnétiques réside dans la forte concurrence entre interactions magnétiques qui génèrent de la frustration magnétique. La frustration magnétique qui se produit dans ce composé à basse température a été démontré en 2011. On a mesuré les interactions magnétiques entre les différentes paires de manganèse et, comme on le voit, les interactions entre cinq paires d'atomes, les plus intenses et donc les principales, sont négatives, de sorte qu'elles établissent une interaction antifromagnétique entre les paires d'atomes impliqués. Ces impositions ne sont pas simultanées, de sorte que le composé est frustré. Nous voulons remplir toutes les interactions, mais pas. Cela fait apparaître dans le matériau des configurations magnétiques complexes et diverses en raison de petits changements de température.
La complexité des structures magnétiques est le résultat de la frustration du système. Comme mentionné précédemment, les résultats obtenus dans la résolution de la situation de frustration, parfois, enrichissent le système. C'est le cas de la structure magnétique intermédiaire du composé MnWO4. Cette structure est particulièrement intéressante: par la symétrie de la structure elle-même, elle permet l'apparition de la polarisation électrique. Malheureusement, lorsqu'il s'agit d'un phénomène qui se produit dans ce cas à des températures très basses, le matériau n'est pas pour le moment utile pour les applications technologiques.
L'apparition d'une grande variété de structures magnétiques est due à la concurrence élevée entre interactions dans un même composé. Dans des conditions de haute concurrence, les zones extérieures (températures, pressions, champs magnétiques...) ou le remplacement chimique peuvent briser cet équilibre entre interactions et établir une nouvelle structure magnétique dans le matériau, ainsi que toute propriété physique liée à cette structure. C'est l'origine de l'apparition de trois structures magnétiques sur une plage de températures de 13,5 K.
Outre l'influence de la température, l'influence de l'échange d'ions a été analysée. En remplaçant le manganèse par des ions de cobalt, la structure de polarisation électrique se stabilise à des températures très basses, la structure disparaissant en forme de ++-. De plus, une nouvelle phase magnétique apparaît dans un matériau avec 10% de cobalt : la structure avec polarisation magnétique se transforme et change donc la direction de la polarisation. En augmentant la concentration de cobalt, dans le cas du composé Mn0,85Co0,15WO4, il existe de nombreuses structures magnétiques présentes dans le matériau même à une température fixe. Dans ce cas, la frustration magnétique est si grande qu'à certaines températures, une seule structure ne se stabilise pas.
On voit clairement que le matériau MnWO4 est un système de grande frustration magnétique et que lorsque des changements de type différent se produisent, c'est-à-dire lorsque les interactions entre les atomes sont modifiées, de nouveaux équilibres magnétiques sont obtenus dans le matériel, entraînant des structures magnétiques complètement différentes. Les propriétés physiques entièrement liées à ces structures magnétiques changent également lorsque de nouveaux équilibres sont atteints. Dans le cas qui nous occupe, la polarisation électrique subit des changements dans la température et dans le nombre de cobalts.
Par conséquent, bien qu'en principe la frustration concerne les êtres vivants, nous avons vu que les matériaux sont également frustrés. Cette frustration est due, dans le cas analysé, à ce que les atomes acquièrent des obligations incompatibles. Dans ce cas, le système trouve une solution intermédiaire : il forme des structures magnétiques complexes. De plus, comme nous l'avons vu, nous pouvons adapter cette frustration en plaçant le matériel dans différentes situations et ainsi modifier ses caractéristiques.
Les êtres vivants aussi, parfois, nous devrions apprendre des matériaux et, au lieu de rester frustrés, nous devrions chercher et trouver des solutions aux situations. Gardez à l'esprit que de nombreuses fois ces solutions peuvent entraîner un résultat inattendu qui peut être positif!
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