Des quasi-cristaux ferromagnétiques en vrac émergent sans éteinte rapide, débloquant des études magnétiques stables

Une découverte révolutionnaire dans le domaine de la science des matériaux a ouvert de nouvelles voies pour l'étude du ferromagnétisme dans les quasi-cristaux. Les chercheurs ont réussi à créer des quasi-cristaux ferromagnétiques en vrac sans s'appuyer sur le trempe rapide, une méthode qui avait auparavant limité l'intégrité structurelle et la stabilité de ces matériaux.

Le ferromagnétisme, typiquement observé dans les cristaux périodiques et les matériaux amorphes, s'est avéré difficile à réaliser dans les quasicrystals en raison de leur ordre quasi périodique à longue portée unique et de leurs symétries de rotation non conventionnelles.

Auparavant, tous les quasi-cristaux ferromagnétiques connus nécessitaient une synthèse par un éteignement rapide, un processus qui entraînait des matériaux métastables et structurellement défectueux. Lorsqu'ils étaient soumis à un recuit, ces quasi-cristaux se transformaient en cristaux approximants, qui, bien que similaires dans la structure atomique locale, possédaient un ordre périodique plutôt que la nature quasi-périodique des quasi-cristaux. Cette transformation entrave la capacité d'étudier les propriétés magnétiques intrinsèques des vrais quasi-cristaux, en particulier des aspects tels que la criticalité magnétique, qui décrivent le comportement d'un matériau près d'une transition de phase magnétique.

Pour surmonter ces limites, une équipe de recherche dirigée par le professeur Ryuji Tamura du Département des sciences et technologies des matériaux et le Dr Farid Labib de l'Institut de recherche en sciences et technologie de l'Université des sciences de Tokyo (TUS) au Japon a utilisé une nouvelle approche. Ils ont utilisé un classificateur de phase basé sur l'apprentissage automatique pour guider la sélection des compositions d'alliage appropriées pour créer des quasi-cristaux ferromagnétiques icosahédraux stables. En analysant les données de la base de données HYPOD-X QC et d'autres ressources existantes, ils ont identifié 675 systèmes d'alliage quinariés potentiels. Parmi ceux-ci, les systèmes or-cuivre-aluminium-indium-terre rare (Au-Cu-Al-In-R) ont montré la plus grande promesse.

Plus précisément, les combinaisons impliquant des éléments de terres rares tels que le gadolinium (Gd), le terbium (Tb) et le dysprosium (Dy) ont été sélectionnées pour une exploration plus approfondie. En utilisant des techniques de fusion à l'arc conventionnelles suivies d'un recuit contrôlé, les chercheurs ont synthétisé trois quasi-cristaux icosahédriques ferromagnétiques quinariques en vrac: Au-Cu-Al-In-Gd, Au-Cu-Al-In-Tb et Au-Cu-Al-In-Dy. Ces quasi-cristaux nouvellement développés ont démontré une stabilité remarquable même sous recuit prolongé à des températures élevées, en particulier à 723 Kelvin. L'analyse par diffraction par rayons X confirme une amélioration notable de l'ordre quasi-périodique par rapport aux quasrystals ferromagnétiques antérieurs réalisés par des méthodes d'extinction rapide.

Cette découverte fournit une preuve claire de l'ordre ferromagnétique intrinsèque dans ces quasi-cristaux nouvellement découverts. Bien qu'ils partagent la même structure de réseau quasi-périodique, chaque composé affiche des comportements magnétiques critiques distincts influencés par l'anisotropie magnétique mono-ionique des éléments de terres rares respectifs.

Cette avancée ouvre la voie à une exploration plus approfondie des propriétés magnétiques des quasi-cristaux, conduisant potentiellement à des innovations dans la technologie et l'ingénierie des matériaux. Avec la nouvelle capacité de créer des quasi-cristaux en vrac stables, les chercheurs peuvent maintenant mener des études plus complètes sur leurs comportements magnétiques, contribuant de manière significative à une compréhension plus large du magnétisme dans les solides non périodiques.