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Les quasi-cristaux sont ordonnés mais ne sont pas périodiques

Grâce à leur structure atomique spéciale, les quasi cristaux possèdent des propriétés physiques extraordinaires qu'il nous reste à décrire sous une forme théorique appropriée.
Les quasi-cristaux sont ordonnés mais ne sont pas périodiques
Une structure ordonnée n'est pas périodique si une copie décalée ne correspond jamais exactement à son original. En deux dimensions, il existe de nombreux ensembles de pavages simples qui permettent de recouvrir complètement une surface de manière non périodique. Les quasi-cristaux élargissent cette propriété en trois dimensions.

Le projet SPINSINQUASICRYSTALS (Magnetic moments in geometrically frustrated systems with quasiperiodic order and disorder) a travaillé sur des modèles afin de mieux comprendre les propriétés magnétiques de ces quasi-cristaux. Une question fondamentale concerne l'influence de leurs propriétés électroniques exotiques sur leur magnétisme.

Les recherches ont porté principalement sur l'étude des modèles théoriques de quasi-cristaux de terre rare. Ces quasi-cristaux représentent un type commun de quasi-cristal magnétique dont les moments sont bien définis lorsqu'ils se trouvent à une concentration comprise entre 5 et 10 %. Ces structures interagissent via une interaction quantique de couplage magnétique à longue distance appelée RKKY (pour Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) médiée par les électrons de conduction. Les chercheurs ont développé et optimisé une méthode numérique pour calculer la forme de ces interactions RKKY en utilisant une mécanique hamiltonienne stricte définie par le pavage des quasi-cristaux.

Dans une seconde étape, les chercheurs ont étudié les propriétés magnétiques de ces systèmes quasi-périodiques à interactions RKKY en s'appuyant sur les simulations complètes de Monte Carlo. Pour tous les systèmes, les chercheurs ont observé des groupes de spins fortement couplés avec un couplage intergroupe faible pour certains motifs de pavage et formation d'un magnétisme de longue distance à basse température.

La formation de clusters fortement couplés et leurs fluctuations, même à température très basse, semble concorder avec les observations expérimentales. Par contre, la nature de la transition ordonnée dans ce modèle montre des différences significatives avec certaines expériences récentes qui décrivent une congélation des moments magnétiques à basse température.

La perturbation des atomes est très fréquente dans les quasi-cristaux. Pour modéliser cette perturbation atomique, les chercheurs ont ajouté un potentiel aléatoire aux électrons de conduction. Le calcul des interactions RKKY, combiné à la simulation de Monte Carlo a ainsi montré que l'ordre magnétique à longue distance des systèmes quasi-périodiques était détruite par une force de perturbation finie.

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Mots-clés

Quasi-cristal, magnétisme, couplage Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida, pavage des quasi-cristaux