Cinq cristaux révèlent pourquoi la chaleur dévie dans un champ magnétique

Un écart d’un facteur dix met en cause le cristal lui-même

Cinq cristaux d’un même matériau isolant conduisaient la chaleur aussi bien dans le sens de leur longueur, mais leur réponse latérale à un champ magnétique variait d’un facteur d’environ dix. Ce contraste est le principal résultat d’une étude sur le NiPS3, un cristal magnétique feuilleté qui permet d’aborder une énigme de la physique remontant à 2005 : pourquoi la chaleur transportée par des vibrations électriquement neutres peut-elle dévier dans un champ magnétique ?

La collaboration réunit des chercheurs du Centre national des sciences des champs magnétiques pulsés intenses de l’Université des sciences et technologies de Huazhong, à Wuhan, et de l’ESPCI Paris. Leurs mesures relient la réponse thermique latérale aux propriétés magnétiques du cristal, plutôt qu’à la distance parcourue par les porteurs de chaleur entre deux collisions.

Les chercheurs interprètent ce lien comme un indice en faveur d’un mécanisme intrinsèque, c’est-à-dire lié au comportement couplé des propriétés magnétiques et vibratoires du matériau. Ce résultat fournit aux scientifiques un test expérimental pour distinguer cette explication des mécanismes dans lesquels des impuretés ou d’autres centres de diffusion produisent la réponse latérale.

L’article de recherche sur le NiPS3, dont la deuxième version sur arXiv est datée du 1er octobre 2024, fait état d’une conductivité thermique latérale maximale d’environ -1,63 watt par mètre-kelvin à 25 kelvins et 14 teslas. La température correspond à environ -248 degrés Celsius. Le signe négatif indique le sens de la réponse latérale selon la convention de mesure de l’expérience.

Les travaux ont été annoncés à l’occasion de leur publication dans Science, le 23 octobre 2026, heure de Pékin, soit le 22 octobre à l’heure locale, et présentés comme un article de couverture. L’argumentation expérimentale détaillée figurait déjà dans le manuscrit de 2024.

Comment la chaleur peut-elle dévier sans charge électrique ?

L’effet Hall électrique classique se produit lorsqu’un champ magnétique dévie latéralement des charges électriques en mouvement. Des charges s’accumulent de part et d’autre d’un conducteur, créant une tension perpendiculaire au courant initial.

Le NiPS3 est un isolant électrique. La chaleur s’y déplace principalement sous forme de vibrations du réseau cristallin, l’agencement ordonné des atomes. Les physiciens décrivent ces vibrations par paquets appelés phonons, de la même manière qu’ils décrivent la lumière par paquets appelés photons.

Un phonon transporte de l’énergie sans transporter de charge électrique nette. Il ne subit donc pas la force magnétique classique qui dévie le mouvement d’un électron. Pourtant, une différence de température peut apparaître de part et d’autre d’un cristal isolant lorsque la chaleur le traverse et qu’un champ magnétique est appliqué perpendiculairement à ce flux. Les scientifiques appellent ce phénomène l’effet Hall thermique des phonons.

Les premières preuves expérimentales sont apparues en 2005. Depuis, le débat central porte sur le mécanisme : la réponse latérale vient-elle du comportement collectif du cristal ou d’une diffusion asymétrique lorsque les phonons rencontrent des impuretés, des défauts ou d’autres perturbations ? Ces deux explications physiques rendent compte d’un signal mesuré, mais l’attribuent à des processus différents.

Ce que les champs magnétiques intenses ont permis de mesurer

Le NiPS3 contient du nickel, du phosphore et du soufre. Ses atomes de nickel forment des couches en nid d’abeilles et leurs moments magnétiques adoptent une configuration antiferromagnétique en zigzag sous 155 kelvins, soit environ -118 degrés Celsius. L’antiferromagnétisme désigne un agencement dans lequel les moments s’orientent selon des motifs opposés, au lieu de pointer tous dans la même direction.

L’équipe a fait croître des monocristaux par transport chimique en phase vapeur, puis a mesuré simultanément le flux thermique dans le sens de la longueur et dans le sens transversal, à l’aide d’un chauffage et de trois thermocouples. Les chercheurs ont ainsi pu comparer le flux thermique principal à la plus faible réponse transversale de température.

Les mesures d’aimantation ont atteint 55 teslas à 4,2 kelvins grâce à des champs magnétiques pulsés. Aucune transition magnétique n’a été observée dans cette plage. Les mesures de l’effet Hall thermique décrites dans le manuscrit ont atteint 14 teslas, où la réponse latérale variait linéairement avec le champ appliqué.

La conductivité thermique principale a culminé à 274 watts par mètre-kelvin. Son évolution en fonction de la température était presque identique à champ nul et sous 14 teslas, et elle atteignait son maximum à la même température que la conductivité latérale. Les chercheurs identifient les phonons comme les principaux porteurs de chaleur, les excitations magnétiques ne contribuant que faiblement au flux thermique principal.

Pourquoi la comparaison de cinq échantillons était importante

Les cinq cristaux de NiPS3 offraient une comparaison utile, car leur transport thermique classique était pratiquement inchangé. Leurs courbes de conductivité longitudinale se superposaient et leurs capacités thermiques étaient également similaires.

La longueur libre moyenne des phonons, c’est-à-dire la distance moyenne parcourue par une vibration avant diffusion, était donc pratiquement la même pour tous les échantillons. On peut comparer cela à cinq routes sur lesquelles les véhicules parcourent des distances égales entre deux interruptions.

La réponse latérale était très différente. Son maximum était environ dix fois plus élevé dans un cristal que dans un autre, alors même que leur capacité à conduire la chaleur vers l’avant était similaire. L’équipe a ainsi pu comparer le comportement magnétique tout en maintenant presque constante la conduction thermique classique.

Plusieurs mécanismes de diffusion proposés prédisent que la réponse latérale devrait augmenter avec la longueur libre moyenne des phonons. Un modèle évoqué dans l’article établit une proportionnalité entre la conductivité longitudinale et cette distance, et entre la conductivité transversale et son carré. Or les expériences sur le NiPS3 ont révélé une forte variation de la conductivité transversale alors que la longueur libre moyenne restait pratiquement fixe.

Les auteurs, qui étudient le transport thermique dans le NiPS3, résument leur conclusion dans le résumé de l’article :

La pertinence d’une propriété thermodynamique, conjuguée à l’absence de rôle de la longueur libre moyenne, plaide pour une origine intrinsèque.

La direction magnétique qui suivait le signal

La conductivité latérale suivait l’anisotropie magnétique des cristaux, c’est-à-dire la dépendance de leur réponse magnétique à la direction. L’aimantation selon la direction désignée par a était presque identique dans les cinq échantillons. Selon la direction b, elle variait d’environ 30 % entre les échantillons les plus et les moins anisotropes.

Le maclage cristallin contribue à expliquer cette variation. Un cristal maclé contient des régions dont les réseaux sont tournés les uns par rapport aux autres. Dans ce matériau, ces régions peuvent partager un axe commun tout en étant tournées de 120 degrés. La proportion de ces régions modifie la réponse magnétique mesurée dans une direction donnée.

L’échantillon dont le cristal présentait une orientation dominante avait la réponse Hall thermique la plus importante. Celui où trois orientations possibles étaient présentes en proportions presque égales avait la plus faible. L’agencement magnétique et la structure cristalline avaient donc leur importance, même lorsque le transport thermique vers l’avant restait identique.

Les mesures de couple ont fourni une vérification supplémentaire. Elles ont suivi l’évolution de l’énergie libre magnétique lorsque la direction du champ tournait. L’énergie libre décrit l’énergie disponible dans un système dans des conditions données ; ici, ses variations selon la direction mesurent la préférence du cristal pour certaines orientations magnétiques. Cette propriété d’équilibre suivait le signal thermique latéral, ce qui fonde l’argument thermodynamique de l’étude.

Comment les vibrations pourraient emprunter une réponse magnétique

L’explication microscopique proposée fait intervenir les magnons, des ondes collectives dans l’agencement des moments magnétiques. Les phonons décrivent les vibrations atomiques ; les magnons, le mouvement magnétique. Leur couplage permet à ces deux types de mouvement d’influencer l’un l’autre.

Les chercheurs ont comparé un spectre de phonons calculé à un spectre de magnons obtenu à partir de mesures de diffusion des neutrons. Ces spectres indiquent les énergies accessibles aux ondes qui se propagent dans le cristal. Plusieurs branches de phonons et de magnons se croisent, le croisement identifié le plus bas se situant près de 3,7 millielectronvolts.

À un tel croisement, le couplage peut créer deux modes mixtes comportant à la fois un mouvement vibratoire et un mouvement magnétique. La composante magnétique permet à l’excitation combinée de réagir à un champ, tandis que sa composante vibratoire transporte la chaleur.

Les croisements apparaissent dans la direction de l’espace réciproque correspondant à l’axe b du cristal, ce qui relie le mécanisme proposé à la direction déterminante dans les mesures d’aimantation. Les auteurs ont également déduit une échelle d’énergie d’environ 1 millielectronvolt à partir de l’évolution de la réponse Hall en fonction de la température. Ils présentent ces liens comme des indices en faveur de l’hybridation des magnons et des phonons ; le mécanisme microscopique détaillé reste à vérifier.

Le phosphore noir avait fourni un indice antérieur

Un résultat apparenté a été publié dans Nature Communications le 23 février 2023. L’étude sur le phosphore noir portait sur un matériau élémentaire dépourvu d’ordre magnétique, permettant aux chercheurs d’examiner l’effet Hall thermique des phonons dans un contexte plus simple.

Ses conductivités longitudinale et transversale culminaient à des températures presque identiques, comme dans le NiPS3. À 12 teslas, les angles Hall thermiques mesurés dans deux configurations étaient d’environ 0,005 et 0,0012, soit 0,5 % et 0,12 %. Cet angle exprime le gradient de température latéral par rapport au gradient principal.

Parmi les matériaux isolants comparés dans cet article, une longueur caractéristique calculée à partir de la réponse Hall restait comprise entre environ 2 et 7 angströms, soit un ordre de grandeur comparable aux distances interatomiques. Dans le même temps, les longueurs libres moyennes des phonons variaient de plus de trois ordres de grandeur, soit d’un facteur supérieur à 1 000.

Les chercheurs à l’origine de l’étude sur le phosphore noir ont avancé que le couplage entre les branches de vibrations acoustiques et une répartition inégale de la charge électrique autour des liaisons pourrait produire une réponse magnétique. Ils ont également conservé les mécanismes de diffusion parmi les explications possibles. Le NiPS3 offre un autre moyen expérimental de les départager : cinq échantillons présentant un transport vers l’avant presque identique, mais des réponses magnétiques et transversales très différentes.

Chauffer un autre cristal a aidé à distinguer le désordre de l’origine du phénomène

Une autre étude, publiée dans npj Quantum Materials le 24 mars 2026, a examiné quatre cristaux de titanate de strontium provenant de différents fournisseurs. L’étude sur le désordre et le recuit comptait parmi ses auteurs Xiaokang Li, Kamran Behnia et Zengwei Zhu, qui ont également participé aux recherches sur le NiPS3.

Les échantillons de titanate de strontium de meilleure qualité ont produit des angles Hall thermiques atteignant 0,3 % et 0,15 % à 9 teslas. Les cristaux plus désordonnés n’ont pratiquement produit aucun signal. Un chauffage à l’air à 1 000 degrés Celsius a partiellement rétabli la réponse des cristaux désordonnés, qui a atteint environ 0,1 % à 9 teslas, tout en modifiant à peine leur conductivité thermique longitudinale.

Le recuit, un chauffage contrôlé suivi d’un refroidissement, peut rendre les contraintes internes plus homogènes. Les auteurs identifient le désordre et les contraintes inégales comme des facteurs qui affaiblissent une réponse intrinsèque. Leurs résultats montrent pourquoi la présence de défauts peut compter beaucoup, même lorsque ces défauts ne sont pas considérés comme la source de l’effet Hall.

L’équipe a également comparé, sur un même échantillon, des contacts en pâte d’argent métallique à des contacts en graisse isolante et obtenu des mesures indiscernables. Pour les expériences qui mesurent des signaux très faibles, comme des angles inférieurs à 0,02 % à 10 teslas, les chercheurs recommandent de vérifier davantage l’éventuelle contribution des contacts.

Un programme de recherche de 2005 à 2026

La collaboration sur le NiPS3 était menée par des chercheurs de Wuhan et de Paris. Liang Li, directeur du Centre national des sciences des champs magnétiques pulsés intenses, a travaillé avec Zengwei Zhu et le physicien Kamran Behnia, de l’ESPCI Paris. Le doctorant Qingkai Meng et le chercheur associé Xiaokang Li étaient les deux premiers auteurs de l’article.

Plusieurs jalons datés montrent comment l’argumentation expérimentale s’est construite :

• 2005 : des chercheurs publient les premières preuves expérimentales de l’effet Hall des phonons dans un cristal isolant.
• 23 février 2023 : l’étude sur le phosphore noir relie l’effet aux vibrations acoustiques et met en évidence l’absence de corrélation avec la longueur libre moyenne des phonons.
• 1er octobre 2024 : la deuxième version du manuscrit sur le NiPS3 paraît sur arXiv.
• 24 mars 2026 : l’étude sur le titanate de strontium documente les effets du désordre, du recuit et des matériaux de contact.
• 23 octobre 2026, heure de Pékin : les travaux sur le NiPS3 sont annoncés à l’occasion de leur publication en ligne dans Science.

Ensemble, ces expériences attirent l’attention sur l’orientation magnétique, le couplage des vibrations et les contraintes internes comme facteurs qui modulent le transport thermique latéral. Pour les laboratoires qui tentent de reproduire cet effet, mesurer la capacité d’un cristal à conduire la chaleur vers l’avant ne suffit pas. Il faut aussi examiner de près son agencement magnétique et sa structure.

Points clés

• La conductivité thermique latérale variait d’un facteur d’environ dix entre cinq cristaux de NiPS3, tandis que leur transport thermique longitudinal restait pratiquement inchangé.
• La réponse Hall suivait l’anisotropie magnétique et l’énergie libre magnétique selon la direction, ce qui plaide en faveur d’une origine intrinsèque.
• La conductivité Hall thermique culminait près de -1,63 watt par mètre-kelvin à 25 kelvins et 14 teslas.
• Les croisements entre magnons et phonons près de 3,7 millielectronvolts pourraient permettre aux vibrations qui transportent la chaleur de réagir aux champs magnétiques.
• Les expériences sur le phosphore noir et le titanate de strontium relient également la réponse à des propriétés autres que la distance parcourue par les phonons, notamment le couplage des vibrations, le désordre et les contraintes.