Magnétisme : l`oxygène dans tous ses états

InstitutdeMinéralogieetdePhysiquedesMilieuxCondensés
Zoomscience:juillet2010
Magnétisme : l’oxygène dans tous ses états !
Stefan Klotz
« Physique des milieux denses »
Résumé:L’oxygèneestlaseulemoléculeélémentairequipossèdeunmomentmagnétique.Dans
unerécenteétudevisantàcaractériserl’ordremagnétiquedansunecertainephasedel’oxygène,
l’équipe«PhysiquedesMilieuxDenses»del’IMPMC,aétélapremièreàsurmonterlesdifficultés
expérimentalesetàdéterminerlesstructurespardiffusiondeneutrons.
Texte
Leproblèmedumagnétismedansl’oxygèneestvieuxdeplusd’unsiècle.En1910,Kamerlingh‐Onnes
découvrequel’oxygènesolideestmagnétiquei.Depuis,lascienceavanceàpetitspas.Desmesures
spectroscopiquesdonnentbienquelquesindices,maisidentifieretcomprendrelesdifférentes
structuresmagnétiquesdel’oxygènerelèvesouventduchallenge.Ceciestparticulièrementvraipour
desphasesquin’existentquesoustrèshautepression.
Danslesannées70,lestechniqueshautepressionontrévélél’existencededifférentesphasesdans
l’oxygène,δ‐O2(«phaseorange»,carelleapparaîtenorangequandonl’observeauxtraversdes
enclumesd’unecelluleàenclumesdediamant)etε‐O2(«phaserouge»)(Fig.1),dontlastructure
nucléairevientseulementd’êtreélucidée.
Récemment,lacontributiondel’équipe«PhysiquedesMilieuxDenses»(PMD)del’IMPMC,aété
d’appliquerladiffusiondeneutronssoustrèshautepression,pourrésoudreleproblèmed’ordre
magnétiquedanslaphaseδ‐O2[1].Cetteéquipeestparvenueàcondenserunéchantillonde~80
mm3d’oxygèneliquidedansunecelluledite«Paris‐Edinburgh»etàcomprimerensuitel’échantillon
jusqu’à8GPa(80000bar).Cesmesuresontétéeffectuéessurlediffractomètreàhauteintensité
D20,àl’InstitutLaue‐LangevinàGrenoble,avecundispositifcryogéniquespécifiquementdéveloppé
pourcetypedepresse.
Cesmesuresmontrentunerichesseinattenduedesstructuresmagnétiquesdanscettephase
d’oxygène:δ‐O2contienttroisstructuresmagnétiques,toutesantiferromagnétiques(Fig.2).Cette
phasepossèdedoncunordremagnétiquedanstoutsondomained’existence,c’est‐à‐direjusqu’à8
GPaet300K.Acettepressionl’oxygènedevientalorsun«aimant»àtempératureambiante!La
phaseδ‐O2seprésentecommeunarrangementlamellairedemolécules,avecl’axedesmolécules
perpendiculaireauxfeuillets,etlesmomentsmagnétiquescontenusdanslesfeuilletsorientéslelong
del'axeb,d'unefaçonantiferromagnétique(Fig.2).L’explicationdecettediversitémagnétique,
inhabituelle,résidedansl’extrêmedépendancedesforcesdecouplageentredeuxspinsde
l’orientationdesaxesmoléculaires,unphénomèneabsentdansdesaimants«classiques».
Lalittératurescientifiquemontre,autraversdecalculsabinitioque,pourlaplupartdesorientations,
cecouplageestantiferromagnétique.Cequiexpliquepourquoi,lesmomentsàl’intérieurdesfeuilles

InstitutdeMinéralogieetdePhysiquedesMilieuxCondensés
s’alignentdetelleoumanière.Uneexceptionestl’orientationquiexisteentredeuxspinsvoisins
dansdesfeuillesvoisines(telqu’ilestindiquéparletrait«J»danslaFig.2):pourcetteorientation,
l’interactionestfaiblementferromagnétique,cequijustifiecetyped’empilementdesmomentsdans
laphasebassetempérature.Sousl’effetdelatempérature,l’orientationdesmoléculesoscillede
plusenplusets’éloignealorsdeplusenplusdel’orientationcorrespondantaucouplage
ferromagnétique.Asuffisammenthautetempérature,lecouplagemoyennédevientforcément
antiferromagnétique,cequisevérifiedansl’expériencedel’équipe«PhysiquedesMilieuxDenses».
Lapublicationfaisantl’objetdecetarticleaétéchoisiecomme«Editor’sChoice»dePhys.Rev.
Letters,etaétéaffichéedans“Physics–SpotlightingExceptionalResearch”.
[1]S.Klotz,Th.Strässle,A.L.Cornelius,J.Philippe,Th.Hansen,«Magneticorderinginsolidoxygen
uptoroomtemperature»,PRL104,115501(2010).
Figure1:Diagrammedephasedel’oxygène.Laphaseδcontienttroisstructuresmagnétiques,
dénomméesHTC(hightemperaturecommensurate),LTC(lowtemperaturecommensurate),ITC
(intermediatetemperaturecommensurate).1GPa=10000bar.

InstitutdeMinéralogieetdePhysiquedesMilieuxCondensés
Figure2:Structuresmagnétiquesdeδ‐O2.OnnotequelecouplageJdesmomentsentredeux
feuillesestferromagnétiquedanslastructureHTC,antiferromagnétiquedanslastructuresLTC,et
alternédanslaphaseintermédiaireITC.«A»et«B»désignentlasuccessiondescouchesO2.
iCetétatestdûàunepaired'électronsdanslacouchepi(lesélectronsd'unatomese
trouventdanslesorbitauxqu'ondénommeavecdeslettres:s,p,d,f...),ayantdesspins
non‐couplés,uneconséquencedes"RèglesdeHund".