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Mais des chimistes ont découvert un comportement surprenant: dans certains matériaux, les atomes peuvent se figer même quand la température augmente ! Un phénomène qui semble contredire les lois classiques de la physique. Pourtant, cette découverte est bien réelle, et elle pourrait ouvrir la voie à des matériaux capables de garder des propriétés particulières — comme être aimantés ou produire de l'électricité sous pression — même à température ambiante.
En général, plus un matériau est chaud, plus ses atomes ou ses molécules s'agitent dans tous les sens. Ce mouvement provoque du désordre, et donc une augmentation de l'entropie. À l'inverse, quand on refroidit un matériau, ses atomes peuvent se stabiliser dans une position bien précise: on dit alors qu'ils se sont "figés".
C'est dans ces états bien ordonnés, obtenus à basse température, que certaines propriétés intéressantes apparaissent, comme la ferroélectricité (capacité à produire une tension électrique sous pression) ou l'aimantation. Le problème, c'est que ces effets ne fonctionnent généralement qu'à froid, ce qui limite leur utilisation.
Mais des chercheurs de Rennes et de Bordeaux viennent de montrer que dans certains matériaux particuliers, les atomes peuvent se figer lorsqu'on augmente la température ! Une observation apparemment contraire aux lois de la thermodynamique qui imposent une augmentation du désordre avec la température, mais que les scientifiques sont parvenus à expliquer.
Le matériau auquel ils se sont intéressés présente deux états magnétiques stables en fonction de sa température. A basse température, les électrons s'assemblent par paires et l'état magnétique est dit ordonné. Le réchauffement à température ambiante mène à un état magnétique désordonné où les électrons ne sont plus appariés.
Le chauffage favorise donc un désordre électronique (ou entropie magnétique) qui entre en compétition avec l'entropie liée à la position des atomes. L'étude montre que l'entropie totale du système augmente bien avec la température, comme l'imposent les lois de la thermodynamique, et que c'est l'entropie magnétique qui domine, permettant aux atomes de conserver à haute température la position "gelée" qu'ils adoptent à basse température.
Ces résultats, publiés dans Materials Horizons, montrent que combiner désordre électronique et ordre atomique pourrait conduire à de nouveaux matériaux pour des capteurs, des mémoires ou d'autres dispositifs.
Référence:
Francisco Javier Valverde-Muñoz, Ricardo Guillermo Torres Ramírez, Elzbieta Trzop, Thierry Bataille, Nathalie Daro, Dominique Denux, Philippe Guionneau, Hervé Cailleau, Guillaume Chastanet, Boris Le Guennic & Eric Collet.
Stabilizing low symmetry-based functions of materials at room temperature through isosymmetric electronic bistability
Materials Horizons 2025
https://doi.org/10.1039/D4MH01318B