Il y a environ dix ans déjà, des physiciens du Laboratoire national de Brookhaven (États-Unis) présentaient une découverte étonnante. Même pour des physiciens. Ils avaient identifié une phase de la matière qu'ils appelaient « mi-feu, mi-glace ». Une phase qui, pourtant, n'avait réellement de lien ni avec le feu ni avec la glace. Une phase induite par un champ magnétique externe et dont le nom cherchait à décrire les états des spins électroniques des atomes qui composent un matériau magnétique contenant à la fois du strontium, du cuivre, de l'iridium et de l'oxygène. Un matériau de formule Sr₃CuIrO₆.

Quand les physiciens jouent avec les spins

Les physiciens qualifiaient cette phase de « mi-feu, mi-glace » parce que les spins des électrons du réseau d'atomes de cuivre apparaissaient totalement désordonnés et ainsi, dits chauds. À l'inverse, ceux des électrons des sites d'iridium étaient totalement ordonnés et ainsi, dits froids. Les premiers présentaient des moments magnétiques faibles. Et les seconds, des moments magnétiques plus importants. « Malgré nos recherches approfondies, nous ne savions pas comment exploiter cet état, raconte Alexei Tsvelik, membre de l'équipe, dans un communiqué. Il nous manquait des pièces du puzzle. »

Des pièces que les physiciens semblent avoir trouvées dans une nouvelle phase de la matière. Comme une jumelle de celle-ci. Une phase qu'ils ont naturellement baptisée « mi-glace, mi-feu ». Une phase qui n'avait jamais été observée auparavant et dans laquelle les spins chauds et les spins froids de la phase « mi-feu, mi-glace » inversent tout simplement leurs positions. Et ce sur une plage de température ultra-étroite.

Une phase de la matière avec des applications potentielles

Les détails de la découverte sont présentés dans deux études publiées par les Physical Review Letters. Et déjà, les physiciens s'enthousiasment. Car découvrir de nouveaux états aux propriétés physiques exotiques et surtout, comprendre les transitions entre ces états peut avoir des effets extraordinaires. Lorsqu'une transition peut se faire de manière brusque et à une température finie et raisonnable, comme c'est le cas ici, par exemple, cela peut mener à des applications révolutionnaires dans les secteurs notamment de la réfrigération, de l'énergie et des technologies de l’information. « La porte vers de nouvelles possibilités est désormais grande ouverte », conclut Weiguo Yin, un autre auteur des travaux.