MAG4, un logiciel libre pour calculer les interactions à quatre spins

Les propriétés magnétiques résultent des interactions entre les spins des électrons. Imaginez de minuscules aiguilles magnétiques dont l’organisation collective détermine le comportement du matériau. Dans les disques durs de nos ordinateurs, par exemple, l’orientation de ces aiguilles permet de coder des données.

Pour décrire cet ordre magnétique, certaines approximations se contentent de prendre en compte les interactions entre deux spins voisins, négligeant les autres au passage. Pourtant, dans certains matériaux, quatre spins peuvent aussi interagir de manière collective et bouleverser cet ordre. Les électrons forment alors une ronde autour de quatre centres magnétiques. Ce phénomène d’interaction cyclique n’est pas nouveau, mais son calcul ne disposait d’aucun outil automatisé comparable à ceux déjà utilisés pour les interactions à deux spins.

C’est cette lacune que vient combler le logiciel libre MAG4, développé par Xavier Rocquefelte, chercheur à l’Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR – CNRS/ENSC Rennes/Université de Rennes), et Peter Blaha, de l’Université technique de Vienne (Autriche). À partir du fichier de la structure cristalline d’un matériau, il extrait les couplages avec leurs diagnostics de fiabilité, puis prédit l'ordre magnétique et sa température critique.

Les chercheurs ont testé leur outil sur deux oxydes de même topologie, présentant donc le même agencement de leurs atomes magnétiques. Résultat : l’importance de ces interactions cycliques varie considérablement de l’un à l’autre. Dans l’oxyde de fer et de strontium (SrFeO₂), elle reste très faible. En revanche, dans l’oxyde de cuivre et de lanthane (La₂CuO₄), négliger ces interactions fausse de 12 % l’estimation d’un couplage entre deux spins. Or, ces couplages servent notamment à calculer la température à laquelle un matériau perd son ordre magnétique. Une erreur peut alors conduire à écarter un candidat pourtant adapté à une application, ou au contraire à en retenir un qui ne conservera pas ses propriétés à la température de fonctionnement visée.

En automatisant le calcul de ces interactions, MAG4 veut faciliter la comparaison de nombreux matériaux (cuprates, aimants bidimensionnels, matériaux altermagnétiques¹…), y compris hypothétiques, et améliorer la prédiction de leurs propriétés magnétiques. Une façon de rendre ces calculs plus accessibles aux expérimentateurs, non-spécialistes de la modélisation. Le logiciel doit désormais évoluer pour intégrer le calcul automatique d’interactions à six et huit spins. Celles à six spins jouent un rôle dans divers matériaux à structure en nid d’abeilles, comme l'aimant bidimensionnel CrI₃, qui intéressent particulièrement la spintronique (l’électronique qui exploite les spins des électrons).

Ces travaux sont publiés dans la revue Chemistry of Materials.

¹Une classe de matériau découverte récemment, ni ferromagnétique ni antiferromagnétique.