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L’étrange magnétisme des cobaltates


L'étrange magnétisme des cobaltates

 

Guillaume Lang, Julien Bobroff, Henri Alloul, Gaston Collin, Nicole Blanchard

 

Les cobaltates de sodium présentent de bien curieuses propriétés : elles sont supraconductrices quand on y insère de l’eau, et elles transforment la chaleur en électricité de façon surprenante pour un métal. Les électrons, piégés dans des plans de cobalt, s’y déplacent de façon là encore curieuse. Ils sont très corrélés, et s’évitent les uns les autres, comme dans les supraconducteurs à haute température critique, mais paradoxalement, le font surtout quand ils sont peu nombreux ! Au contraire, quand ils sont en nombre suffisant, ils semblent recouvrer un comportement métallique habituel.

 

Nous avons utilisé la résonance magnétique nucléaire, une cousine de l’IRM des hôpitaux, pour mieux comprendre comment se comportent ces électrons. Notre étude établit qu’en fait, les corrélations sont partout présentes. Quand le nombre d’électrons est faible, on savait les corrélations ferromagnétiques, c’est-à-dire que les aimants (les spins) portés par les électrons s’alignent entre eux. Quand le nombre d’électrons augmente, nous avons découvert que les corrélations subsistent mais que les spins s’anti-alignent (antiferromagnétiques). L’existence de ces deux comportements magnétiques, tantôt alignés, tantôt anti-alignés, paraît être une caractéristique fondamentale de ces matériaux, qui devrait contribuer à mieux comprendre leurs propriétés exotiques. Par ailleurs, nous mettons en évidence l’existence d’une température particulière, T*, pour laquelle la réponse du système à un champ magnétique est maximale. Enfin, nous montrons qu’au delà d’un sodium pour deux cobalts, il apparaît des sites de Cobalt inertes, les Cobalt 3+, qui refusent de participer aux propriétés métalliques de ces matériaux, et dont le nombre évolue de façon là aussi inattendue.

 

 

Fig. 1 : La cobaltate NaxCoO2 est comme un mille feuille, où s’alternent plans de cobalt (en vert), d’oxygène (en rouge), et de sodium (en bleu).

 

Fig. 2 : Le nouveau diagramme de phase proposé, en fonction de la concentration de sodium, x. Le panneau supérieur montre les deux régions de corrélations magnétiques (AF=antiferromagnétique ; FM=ferromagnétique) ainsi que la nouvelle échelle de température T*. Le panneau inférieur montre l’apparition des sites Cobalt 3+" inertes" au delà de x=0,5 liés à une mise en ordre des sodiums. SC désigne la phase supraconductrice.

 

Référence :
"Spin correlations and cobalt charge states : Phase diagram of sodium cobaltates" G. Lang, J. Bobroff, H. Alloul, G. Collin, N. Blanchard - Phys. Rev. B 78, 155116 (2008) (Editor’s suggestion et voir aussi les "synopsis" de Phys. Rev

 

Contact :
Julien Bobroff
Laboratoire de Physique des Solides,
Université Paris-Sud 11, CNRS UMR8502,
91405 Orsay cedex