De nombreux composés présentent, en dessous d'une certaine température, un ordre antiferromagnétique dans lequel les moments magnétiques portés par les atomes forment des paires antiparallèles. Il arrive que les interactions magnétiques pilotant cet ordre soient antagonistes. La « frustration » magnétique modifie alors, en les complexifiant, l'état fondamental de ces matériaux.

Pour étudier ces phénomènes, les chercheurs choisissent généralement des composés possédant un motif avec un nombre impair de liaisons entre atomes magnétiques afin de contrarier l'apparition d'un ordre antiferromagnétique. Ainsi les cristaux dont le réseau est organisé en triangles ont-ils été privilégiés jusqu'à présent.

Pour aller plus loin, les physiciens de l'Irig ont recherché un réseau de géométrie pentagonale dans Bi₂Fe₄O₉. Grâce à la diffraction de neutrons (en dessous de 240 K), ils ont pu observer son état fondamental qui présente un arrangement orthogonal atypique des moments magnétiques.

En utilisant la diffusion inélastique de neutrons et en s'appuyant sur des modèles, ils ont pu mettre en évidence que les mécanismes de la frustration dans Bi₂Fe₄O₉ sont issus de trois interactions en compétition au sein des pentagones et qu'une certaine hiérarchie dans l'intensité de ces interactions conduit à un réseau dominant de paires antiparallèles.

Ces paires répondent beaucoup plus faiblement à un champ magnétique ou à la température que les autres atomes magnétiques de la maille en raison de leur interaction mutuelle très intense. Même au-dessus de la température d'ordre (240 K), dans l'état paramagnétique où les fluctuations thermiques sont censées supprimer l'ordre magnétique, ces paires forment un état ni totalement désordonné, ni totalement ordonné, constitué de dimères de spins encore très fortement couplés, au milieu d'un océan de spins fluctuants.

Cette étude révèle de nouveaux comportements statiques et dynamiques de matériaux présentant une frustration magnétique liée à une géométrie pentagonale et à des interactions « hiérarchiques ». Elle s'inscrit dans l'effort de compréhension plus général des mécanismes de mise en ordre dans la matière complexe, au-delà du magnétisme.