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Des aimants à base de métaux non magnétiques
Une équipe internationale de chercheurs, placée sous la direction de l'Université de Leeds, a montré pour la première fois comment rendre magnétiques des matériaux comme le cuivre, qui sont non magnétiques à l'état naturel. La découverte pourrait contribuer au développement d'aimants novateurs pour les applications techniques les plus diverses, comme des groupes électrogènes ou des disques durs. Les mesures qui se sont avérées décisives pour comprendre le phénomène ont été menées à l'Institut Paul Scherrer (PSI). Il s'agit du seul site où les processus magnétiques peuvent être étudiés au cœur des matériaux de manière suffisamment détaillée. Les résultats paraissent dans la revue spécialisée Nature.
Les aimants sont utilisés dans de nombreuses applications techniques : les groupes électrogènes, le stockage de données sur disque dur ou l'imagerie médicale. Les aimants permanents (magnétiques en permanence) peuvent être fabriqués à partir des trois éléments ferromagnétiques : le fer, le cobalt et le nickel. Pour adapter les propriétés des aimants aux besoins des différentes applications, on leur ajoute encore souvent de petites quantités d'autres éléments, mais cela nécessite parfois le recours à des substances qui ne sont disponibles qu'en faibles quantités ou qui présentent des propriétés nocives.
Des molécules en forme de ballon de football qui rendent le cuivre magnétique
Dans le cadre d'un projet de recherche, placé sous la direction de l'Université de Leeds, des chercheurs ont à présent montré comment amener certains métaux non magnétiques à l'état naturel à devenir magnétiques. Fatma Al Ma'Mari, de l'Ecole de physique et d'astronomie de l'Université de Leeds, souligne :
Il devient ainsi envisageable de fabriquer des aimants pour les appareils de l'avenir à partir de substances inoffensives et disponibles en grandes quantités, comme le carbone ou le cuivre.
Pour leurs essais, les chercheurs ont appliqué sur une mince bande de cuivre une couche de molécules de carbone 60, appelées également fullerènes ou molécules en forme de ballons de football, en raison de leur aspect. Le mouvement des électrons au travers l'interface entre les deux couches modifie les propriétés magnétiques du matériau combiné, à tel point que celui-ci peut devenir ferromagnétique, autrement dit magnétique de manière permanente.
Des expériences uniquement possibles au PSI
Des expériences avec de muons menées à l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen, en Suisse, ont montré que c'est bien cette interface qui est responsable du comportement magnétique. Les muons sont des particules élémentaires instables, à l'aide desquelles il est possible d'étudier de manière ciblée le magnétisme au cœur des matériaux, à plusieurs endroits.
Etudier les propriétés magnétiques d'une interface dissimulée n'est pas simple, souligne Thomas Prokscha, chef du groupe de recherche Muons à basse énergie au PSI.
Les muons lents s'y prêtent idéalement, car ils peuvent être disposés de manière très précise à proximité de l'interface. Or le PSI est actuellement le seul site où il est possible d'utiliser des muons lents pour ce genre d'analyses.
Lors de l'expérience, les muons sont injectés dans le matériau à étudier, détaille Hubertus Luetkens, qui a géré l'expérience du côté du PSI avec Thomas Prokscha.
Etant donné qu'ils se comportent eux-mêmes comme de minuscules aiguilles de boussoles, ils réagissent là où ils se trouvent au champ magnétique dans le matériau. Au bout d'un laps de temps très court, les muons se désintègrent en d'autres particules. Si l'on observe la trajectoire de ces particules, on peut en déduire le comportement du muon dans le matériau et donc finalement les processus magnétiques qui se jouent à l'intérieur de ce dernier.
Encore trop faibles
Oscar Céspedes, directeur du projet de recherche à l'Université de Leeds, explique encore :
Comme d'autres chercheurs, nous avions remarqué depuis un certain temps qu'une interface entre un aimant et une couche de molécule modifiait les propriétés de l'aimant. Il était donc tout naturel que nous nous demandions ensuite s'il était possible aussi de produire un ordre magnétique dans un matériau non magnétique.
Les chercheurs soulignent que même s'ils ont bel et bien montré le principe fondamental, ils doivent encore travailler à rendre les aimants plus puissants.
Les aimants que nous avons fabriqués maintenant sont encore très faibles : ils ne tiendraient pas sur une porte de réfrigérateur, relève Oscar Céspedes.
Mais nous sommes convaincus qu'avec la bonne combinaison d'éléments chimiques, il sera possible de développer des aimants novateurs, susceptibles de trouver une application dans différentes technologies d'avenir.
Texte: Texte sur la base d'un communiqué de presse de l'Université de Leeds
ContexteLa condition pour qu'un matériau soit ferromagnétique est appelée critère de Stoner. Ce critère explique pourquoi le fer est ferromagnétique, alors que le manganèse qui se trouve juste à côté dans le tableau périodique, lui, ne l'est pas. Le critère de Stoner a été formulé par E. C. Stoner, un physicien théoricien à l'Université de Leeds. Deux paramètres sont déterminants : la densité d'états et l'interaction d'échange. La densité d'états correspond au nombre d'états que peuvent prendre les électrons qui orbitent autour du noyau atomique. L'interaction d'échange se rapporte à l'interaction entre les électrons d'un atome, et elle est déterminée par l'orientation du spin de l'électron. Le spin est une propriété quantique, responsable du magnétisme dans les matériaux. Il ne peut présenter que deux orientations, qu'on désigne communément par
vers le hautet
vers le bas. Si l'on multiplie la densité d'états et l'interaction d'échange, et qu'on obtient un résultat supérieur à 1, le matériau est ferromagnétique selon le critère de Stoner.
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 1900 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 380 millions.
(Mise à jour : Avril 2015)