La frustration magnétique, un phénomène où les moments magnétiques ne peuvent satisfaire simultanément leurs préférences d'alignement, complique l'ordre magnétique dans les matériaux dont les atomes sont disposés en réseau de triangles. Le clinoatacamite, Cu2Cl(OH)3, présente un réseau de kagome distordu, similaire à celui de l'herbertsmithite, un candidat pour un état de liquide de spin quantique. Contrairement à l'herbertsmithite, le clinoatacamite développe un ordre magnétique à longue portée en dessous de 18,1 K, mais la nature exacte de cet état est restée énigmatique pendant des décennies.
Des mesures complémentaires et la diffraction de neutrons sur monocristal, notamment sur les instruments D10 et D10+ de l'ILL, ont mis en évidence une séquence d'états magnétiques distincts. Ces résultats montrent que la distorsion du réseau ne supprime pas simplement la frustration magnétique. Au lieu de cela, différentes organisations des spins restent en compétition et peuvent même coexister sur certaines plages de température.
Le comportement magnétique d'un matériau provient des minuscules moments magnétiques des atomes, liés au spin de leurs électrons. Dans les antiferromagnétiques, les spins voisins préfèrent pointer dans des directions opposées. Sur un triangle, cette préférence crée un problème pour le troisième spin. Dans un réseau de kagome, ce problème se répète, conduisant à de nombreux arrangements de spins de énergies similaires, rendant difficile la sélection d'un état unique.
Alors que l'herbertsmithite reste désordonnée magnétiquement à basse température, le clinoatacamite développe un ordre magnétique à longue portée en dessous de 18,1 K. Des expériences antérieures utilisant des muons avaient détecté cet ordre à longue portée, tandis que la diffraction de neutrons sur échantillons pulvérulents ne le voyait qu'à des températures plus basses (6-7 K). La nouvelle étude, utilisant des monocristaux et plusieurs techniques, a résolu ce désaccord.
Les mesures dépendantes de la température sur D10+ à l'ILL ont révélé des réflexions magnétiques caractéristiques d'un type d'ordre entre 18,1 et 6,4 K. En dessous d'environ 6,4 K, un second ensemble de réflexions magnétiques apparaît. De manière cruciale, les deux signatures coexistent entre 6,4 et 4,6 K avant que la signature à plus haute température ne disparaisse. Cela confirme qu'il existe un ordre magnétique à longue portée en dessous de 18,1 K, mais sa forme évolue avec la température.
L'analyse détaillée du diagramme de diffraction magnétique à 1,7 K, réalisée sur D10, a révélé que même l'état ordonné à basse température combine deux modes d'organisation magnétique distincts avec des symétries différentes. Les chercheurs proposent que la compétition persiste à un autre niveau : différentes manières collectives d'organiser les spins restent étroitement liées et peuvent se mélanger. Cette situation, où plusieurs états ordonnés possibles sont proches de devenir stables, est décrite comme multicritique. La distorsion du réseau de kagome n'a donc pas éliminé la frustration, mais l'a transformée en une compétition entre différentes formes d'ordre magnétique global.
