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Le magnétisme de la matière était déjà connu des Grecs et des Chinois il y a plus de 2.000 ans mais il a fallu attendre les travaux du physicienphysicien et mathématicien français Ampère au début du XIXe siècle pour commencer à comprendre l'origine de ce phénomène. Il est juste de dire pourtant que ce n'est qu'avec l'avènement de la mécanique quantique que l'on a vraiment disposé des outils permettant d'expliquer le phénomène de ferromagnétisme des aimants.
Un tournant s'est produit dans les années 1920 lorsque le physicien allemand Ernst Ising a exploré un modèle simple considérant des atomesatomes sur une ligne horizontale, comme des petits aimants. Ce modèle attira un peu plus tard l'attention d'Heisenberg dans ses propres tentatives pour expliquer le ferromagnétisme des aimants et que des théoriciens comme Rudolph Peierls et surtout Lars Onsager qui ont étendu les calculs d'Ising au cas à deux dimensions. À la fin des années 1940 et au début des années 1950, Onsager et Chen Ning Yang concluaient qu'une transition de phasetransition de phase expliquant la magnétisation spontanée au-dessous de la température de Curie d'un aimant apparaissait effectivement dans un model d'Ising à deux dimensions.
La saga de la théorie et des expériences sur les matériaux aimantés continue de nos jours comme le prouvent les travaux en spintroniquespintronique ou sur les skyrmions. Un des derniers avatarsavatars de cette saga se trouve dans un article publié dans Nature par un groupe de physiciens suisses, britanniques et états-uniens.
Ernst Ising, le physicien à l'origine d'un célèbre modèle décrivant les matériaux magnétiques. © th.physik.uni-frankfurt.de
Le fullerène modifie l'état des électrons dans les métaux
Ces chercheurs viennent de montrer comment fabriquer des aimants avec des métauxmétaux qui ne sont d'ordinaire pas ferromagnétiquesferromagnétiques. Rappelons que seuls le sont à température ambiante le ferfer, le nickelnickel et le cobaltcobalt. La recette magique pour réussir une telle prouesse ? Simplement intercaler entre deux couches de cuivrecuivre et de manganèsemanganèse des moléculesmolécules mythiques, celles du buckminsterfullerène.
Il existe des arguments théoriques pour savoir si des matériaux seront ferromagnétiques ou non. L'un des plus célèbres est le critère de Stoner, du nom du physicien Edmund Clifton Stoner qui l'a découvert en 1938, à l'université de Leeds (Royaume-Uni). Il fait intervenir des caractéristiques de la distribution des électronsélectrons dans les couches d'un atome ainsi que des interactions magnétiques entre ces électrons qui se comportent comme des petites toupies aimantées, une comparaison ayant bien sûr ses limites pour ces objets foncièrement quantiques.
Le critère de Storner explique très bien pourquoi le fer est ferromagnétique alors que le manganèse, bien que proche dans le tableau de Mendeleïevtableau de Mendeleïev, ne l'est pas. Guidés par ce critère, les chercheurs en ont déduit que les molécules de buckminsterfullerène à la surface du cuivre et du manganèse doivent modifier l'état des électrons de ces matériaux et que des propriétés ferromagnétiques à température ambiante devaient apparaître.
Pour tester cette théorie, les physiciens ont commencé par déposer alternativement sur un substratsubstrat plusieurs couches épaisses de 15 nm pour les molécules de C60 prises en sandwich entre des couches épaisses de 2,5 nm pour le cuivre et le manganèse. Les expériences ont effectivement montré que le matériaumatériau final est bien ferromagnétique.
L'aimantationaimantation obtenue est encore faible mais une voie prometteuse est désormais ouverte permettant d'obtenir, en théorie, de nouveaux aimants à partir d'éléments chimiqueséléments chimiques bon marché. En effet, plusieurs applicationsapplications modernes des matériaux magnétiques font intervenir des terres raresterres rares, ce qui incite à chercher des alternatives. Plus généralement, agrandir la famille des matériaux magnétiques pourrait avoir un impact significatif dans les domaines de la spintronique et des ordinateurs quantiques selon les chercheurs auteurs de cette découverte.
