Refroidissement magnétique - à l'aide d'un minéral désertique frustré
Une équipe de chercheurs identifie l'atacamite comme un matériau magnétocalorique
Les cristaux naturels fascinent par leurs couleurs éclatantes, leur apparence presque parfaite et leurs multiples formes symétriques. Mais les chercheurs s'y intéressent pour des raisons bien différentes : parmi les innombrables minéraux déjà connus, ils découvrent toujours des matériaux aux propriétés magnétiques inhabituelles. C'est le cas de l'atacamite, qui présente un comportement magnétocalorique à basse température, c'est-à-dire que la température du matériau change de manière significative lorsqu'il est soumis à un champ magnétique. Une équipe dirigée par la TU Braunschweig et le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a étudié cette propriété rare. À long terme, les résultats pourraient contribuer à la mise au point de nouveaux matériaux pour un refroidissement magnétique économe en énergie.
L'atacamite, un minéral vert émeraude qui tire son nom de l'endroit où il a été découvert pour la première fois, le désert d'Atacama au Chili, doit sa couleur caractéristique aux ions de cuivre qu'il contient. Ces ions déterminent également les propriétés magnétiques du matériau : ils possèdent chacun un électron non apparié dont le spin confère à l'ion un moment magnétique - comparable à une minuscule aiguille de boussole. "La particularité de l'atacamite réside dans la disposition des ions cuivre", explique Leonie Heinze, du Centre Jülich pour la science des neutrons (JCNS). "Ils forment de longues chaînes de petits triangles reliés entre eux, appelées chaînes en dents de scie. Cette structure géométrique a des conséquences : bien que les spins des ions cuivre veuillent toujours s'aligner de manière antiparallèle les uns par rapport aux autres, la disposition triangulaire rend cet alignement géométriquement impossible à réaliser complètement. "C'est ce que nous appelons la frustration magnétique", poursuit M. Heinze. En raison de cette frustration, les spins de l'atacamite ne s'organisent qu'à très basse température - en dessous de 9 kelvins (-264°C) - dans une structure statique alternée.
Lorsque les chercheurs ont examiné l'atacamite sous les champs magnétiques extrêmement élevés du Laboratoire des champs magnétiques intenses (LCHI) du HZDR, ils ont constaté une chose surprenante : le matériau s'est nettement refroidi sous l'effet des champs magnétiques pulsés - et pas seulement un léger refroidissement, mais une chute de près de la moitié de la température initiale. Cet effet de refroidissement exceptionnellement fort a particulièrement fasciné les chercheurs, car le comportement des matériaux magnétocaloriques dans ce contexte n'a guère été étudié. Les matériaux magnétocaloriques sont pourtant considérés comme une alternative prometteuse aux technologies de refroidissement conventionnelles, par exemple pour le refroidissement économe en énergie ou la liquéfaction des gaz. En effet, au lieu de comprimer et de dilater un réfrigérant - un processus qui a lieu dans tous les réfrigérateurs - ils peuvent être utilisés pour modifier la température en appliquant un champ magnétique dans le cadre d'une approche respectueuse de l'environnement et potentiellement à faibles pertes.
Quelle est l'origine de ce puissant effet magnétocalorique ?
Des études complémentaires menées dans différents laboratoires du Laboratoire européen des champs magnétiques (EMFL) ont permis d'approfondir la question. "En utilisant la spectroscopie par résonance magnétique, nous avons pu clairement démontrer que l'ordre magnétique de l'atacamite est détruit lorsqu'un champ magnétique est appliqué", explique le Dr Tommy Kotte, scientifique au HLD. "C'est inhabituel, car les champs magnétiques dans de nombreux matériaux magnétiquement frustrés contrecarrent généralement la frustration et encouragent même les états magnétiques ordonnés.
L'équipe a trouvé l'explication du comportement inattendu du minéral dans des simulations numériques complexes de sa structure magnétique : alors que le champ magnétique aligne les moments magnétiques des ions cuivre sur les extrémités des chaînes en dents de scie le long du champ et réduit ainsi la frustration comme prévu, ce sont précisément ces moments magnétiques qui assurent un faible couplage avec les chaînes voisines. Lorsque ce couplage est supprimé, un ordre magnétique à longue portée ne peut plus exister. Cela a également permis à l'équipe d'expliquer l'effet magnétocalorique particulièrement fort : il se produit toujours lorsqu'un champ magnétique influence le désordre - ou plus précisément l'entropie magnétique - d'un système. Pour compenser ce changement rapide d'entropie, le matériau doit adapter sa température en conséquence. C'est précisément ce mécanisme que les chercheurs ont réussi à mettre en évidence dans l'atacamite.
"Bien entendu, nous ne nous attendons pas à ce que l'atacamite soit largement exploitée à l'avenir pour être utilisée dans de nouveaux systèmes de refroidissement", déclare le Dr Tommy Kotte, "mais le mécanisme physique que nous avons étudié est fondamentalement nouveau et l'effet magnétocalorique que nous avons observé est étonnamment fort." L'équipe espère que ses travaux inspireront d'autres recherches, notamment une recherche ciblée de matériaux magnétocaloriques innovants dans la vaste catégorie des systèmes magnétiquement frustrés.
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Publication originale
L. Heinze, T. Kotte, R. Rausch, A. Demuer, S. Luther, R. Feyerherm, E. L. Q. N. Ammerlaan, U. Zeitler, D. I. Gorbunov, M. Uhlarz, K. C. Rule, A. U. B. Wolter, H. Kühne, J. Wosnitza, C. Karrasch, S. Süllow, Atacamite Cu₂Cl(OH)₃ in High Magnetic Fields: Quantum Criticality and Dimensional Reduction of a Sawtooth-Chain Compound, in Physical Review Letters, 2025
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