​Contrairement aux aimants classiques, où tous les spins pointent dans la même direction, les matériaux ​ici étudiés sont antiferromagnétiques : cela signifie que les spins s'orientent en sens opposés. Mais dans ces nouveaux matériaux, la situation se complique. À cause de la forme particulière du réseau d'atomes, des octaèdres, les spins ne peuvent pas tous satisfaire leurs interactions. Ce phénomène, appelé frustration géométrique, crée une grande incertitude sur leur organisation.

Jusqu'à présent, les physiciens s'intéressaient surtout à des structures en triangles ou en tétraèdres, comme le réseau kagomé ou le réseau pyrochlore. Dans une nouvelle étude, des chercheurs du Laboratoire PHotonique ELectronique et Ingénierie QuantiqueS (Pheliqs, CEA-Irig) et de l'Institut Laue-Langevin ont exploré un réseau en trois dimensions, composé d'octaèdres, présents notamment dans les structures cristallines des antiperovskites (catégorie de matériaux que l'on retrouve notamment dans les métaux isolants, semi-conducteurs ou encore supraconducteurs). Ce système encore plus complexe présente un nombre très élevé de configurations possibles pour les spins.

Figure 1 : Réseaux cristallins frustrés (de gauche à droite) : kagomé, pyrochlore et octaédrique.

Grâce à des simulations numériques avancées, les chercheurs ont établi un diagramme de phase (température vs champ magnétique) sophistiqué et surprenant. Ils ont notamment identifié huit phases magnétiques distinctes, plusieurs transitions entre ces états, et ont assisté à l'apparition de phénomènes rares comme des plateaux d'aimantation fractionnaire stables. Ces plateaux correspondent à des moments où l'aimantation du matériau reste stable malgré l'augmentation du champ magnétique. Ce comportement contre-intuitif révèle l'existence d'états magnétiques quantiques fortement corrélés, où les spins s'organisent de manière collective en configurations ordonnées, défiant les variations externes et ouvrant la voie à une compréhension plus fine des systèmes magnétiques frustrés.

​​ 

Dans leur étude, ils ont aussi constaté que la température ne perturbe pas seulement le système, mais joue un rôle actif dans le choix de l'état magnétique. Ce mécanisme, appelé sélection entropique, montre que le “désordre" peut en réalité stabiliser certaines configurations.

Leurs résultats établissent les antiferromagnétiques octaédriques comme une nouvelle classe distincte d'aimants composés magnétiques géométriquement frustrés, et une plateforme fertile pour l'exploration du magnétisme complexe, à l'interface entre les réalisations matérielles dans les anti-perovskites. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour l'exploration d'états dits exotiques dans les composés magnétiques frustrés, suggérant de nouvelles pistes pour identifier des matériaux magnétocaloriques appropriés, capables de chauffer ou refroidir sous l'effet d'un champ magnétique. Une alternative prometteuse pour la conception des technologies de refroidissement du futur.