Louis Néel, découvreur de l'antiferromagnétisme et du ferrimagnétisme

15 novembre 2025 6 15 /11 /novembre /2025 03:30

Louis Néel, découvreur de l'antiferromagnétisme et du ferrimagnétisme

« Lauréat du Prix Nobel de Physique en 1970, Louis Néel (1904-2000) est considéré comme le plus grand spécialiste du magnétisme des solides de son temps. Ses découvertes ont ouvert la voie à de nombreuses applications, notamment dans le domaine de la mémoire numérique et des télécommunications, téléphone portable, radar, etc. » (Notice du CNRS).

Le physicien Louis Néel est mort il y a vingt-cinq ans, le 17 novembre 2000 à Brive-la-Gaillarde, à l'âge de (quasiment) 96 ans (né le 22 novembre 1904 à Lyon). C'est l'occasion de revoir la trajectoire scientifique de Louis Néel, parmi les plus grands savants d'après-guerre, qui a fait beaucoup avancer nos connaissances sur le magnétisme et aussi contribué à implanter un pôle d'excellence scientifique à Grenoble, entre le Drac et l'Isère (le fameux Polygone scientifique).

Il était d'abord une grosse tête et un brillant étudiant : après une prépa à Lyon (au Lycée du Parc), il était normalien en 1924, major à l'agrégation en 1928. Il a ensuite fait une thèse de doctorat à Strasbourg sur les propriétés magnétiques du fer à hautes températures. Son directeur de thèse était Pierre Weiss (1865-1940), lui aussi une pointure sur le magnétisme, pour avoir compris les mécanismes qui permettent l'aimantation des matériaux, ce qui l'a conduit à inventer des électroaimants très puissants, célèbre aussi pour la loi de Curie-Weiss qui formule la dépendance de la susceptibilité magnétique par rapport à l'inverse de la température, pour les matériaux paramagnétiques (normalien, ses camarades de promo à Normale Sup. étaient Jean Perrin, Paul Langevin, Aimé Cotton, etc.). Avec Pierre Weiss, Louis Néel était donc à très bonne école. En 1937, Louis Néel est devenu professeur à l'Université de Strasbourg.

Mais avant de continuer, un petit rappel. Il y a cent ans, c'était simple, on regroupait les matériaux en trois catégories pour leurs propriétés magnétiques : les diamagnétiques (entre autres, la matière organique), les paramagnétiques (matériaux assez simples à comprendre, où la loi de Curie-Weiss s'applique), et les ferromagnétiques (découvert par Pierre Curie en 1895), qui sont des substances qu'on dirait vulgairement "magnétiques", qui sont paramagnétiques au-dessus d'une température de transition appelée température de Curie, mais en dessous, ont un comportement magnétique différent avec de l'aimantation permanente (présence de champ magnétique sans avoir appliqué sur eux de champ magnétique extérieur).

C'était trop simple ! En 1936, au cours de ses travaux à Strasbourg, au sein du CNRS, Louis Néel a découvert une autre sorte de matériaux : en dessous d'une température seuil, ils ne sont plus paramagnétiques, mais pas plus ferromagnétiques, car il existe encore de l'aimantation permanente locale mais globalement nulle (chaque champ local s'annule les uns avec les autres). On dit alors que les moments magnétiques sont antiparallèles, d'où le nom de ces matériaux, les matériaux antiferromagnétiques. On a appelé température de Néel la température de transition (de phase magnétique) au-dessus de laquelle le matériau devient paramagnétique (c'est l'équivalent de la température de Curie pour les matériaux ferromagnétiques).

Au début de la Seconde Guerre mondiale, Louis Néel a récupéré beaucoup d'équipements de ses laboratoires à Strasbourg pour les acheminer, plus en sécurité, à Meudon, puis il a été mobilisé à Clermont-Ferrand et le CNRS a fait appel à ses grandes connaissances du magnétisme pour aider la Marine française à protéger ses navires des mines magnétiques déposées en mer par les ennemis. Son idée, qu'il a appliquée avec succès, c'était de désaimanter la coque des bateaux au moyen d'un électroaimant puissant qui annulait le champ provoqué par la coque. Résultat des courses, sur 640 navires, équipés par ses soins à Dunkerque, Le Havre, Cherbourg et Brest, un seul a été détruit par une mine magnétique.

Parmi ses collègues au Centre de recherches de la Marine, il y avait Félix Esclangon, un universitaire grenoblois, qui l'a convaincu de s'installer à Grenoble pendant la guerre, avec son assistant à Strasbourg, Louis Weil (1914-1968), grand physicien aussi, normalien et condisciple de Georges Bruhat (célèbre pour son manuel de physique), et avec Noël Felici (1916-2010) dont la thèse portait sur la supraconductivité.

En 1946, après s'être posé la question de retourner à Strasbourg, Louis Néel et Louis Weil ont choisi de rester à Grenoble (car le doyen de la faculté des sciences René Gosse, mathématicien et résistant, lui mettait à disposition des locaux très étendus) et ont eu pour ambition de faire de Grenoble un pôle d'excellence en sciences physiques aussi important que Paris (et ils y ont réussi).

Louis Néel a créé le Laboratoire d'électrostatique et de physique du métal (LEPM) qu'il a dirigé de 1946 à 1970 (le premier laboratoire propre du CNRS en province) auquel allaient rejoindre d'autres grands physiciens comme René Pauthenet (1925-1987) et Michel Soutif (1921-2016). Avec une équipe d'ingénieurs, ce noyau dur de physiciens a su équiper le pôle de Grenoble d'un liquéfacteur d'hydrogène et surtout d'hélium, permettant d'étudier les matériaux à très basses températures avec des propriétés très étranges (comme la supraconductivité et un très faible magnétisme). Louis Weil allait ensuite créer en 1962 au Polygone scientifique de Grenoble (avenue des Martyrs) le Centre de recherches sur les très basses températures (CRTBT, dont l'un des directeurs fut Robert Tournier).

L'objectif de Louis Néel dans les années 1950, qui était à la fois théoricien mais aussi praticien (pour l'industrie, notamment Ugine), était de trouver des matériaux ferromagnétiques (qui peuvent avoir une aimantation permanente, sans application de champ magnétique extérieur) autres que des matériaux coûteux comme le cobalt et le nickel. Dès 1942, Louis Néel a déposé de nombreux brevets sur la fabrication d'aimants permanents à base de poudre frittée de fer (le fer est un matériau bon marché). Parmi les applications industrielles, les dynamos de vélo. Grenoble est devenu un pôle scientifique et industriel. L'alliage à base de fer, néodyme et bore a eu une belle carrière commerciale.

Mais Louis Néel a supervisé beaucoup d'autres sujets sur le magnétisme, en particulier les champs de dispersion (champs démagnétisants), la magnétostriction (déformation du matériau selon l'application d'un champ magnétique), les mécanismes d'anisotropie de surface, etc. Cela a donné d'importants développements industriels (aimant permanent à base de fer, enregistrement magnétique, etc.).

En plus du ferromagnétisme, Louis Néel a découvert un nouveau type de matériau aux propriétés magnétiques encore différentes, observées sur des ferrites. Le ferrimagnétisme était alors mis en évidence par Louis Néel, sur les matériaux dans lesquels les moments magnétiques sont antiparallèles, mais sans se compenser entre eux. Ces travaux ont été utilisés dans l'électronique à hautes fréquences. Au contraire des matériaux antiferromagnétiques dont le moment magnétique global est nul (les moments magnétiques locaux se compensent), les moments magnétiques locaux des matériaux ferrimagnétiques sont aussi antiparallèles mais d'amplitude différente, si bien qu'il en résulte un moment magnétique global résiduel.

En raison de l'importance de ses nombreuses activités, le LEPM s'est séparé en quatre grands labos, dont celui de Cristallographie et le Laboratoire de magnétisme dirigé par Louis Néel jusqu'en 1976, année de sa retraite (il faut comprendre qu'un scientifique n'est en fait jamais à la retraite dans sa tête).

Mais au-delà de ses travaux scientifiques et industriels, Louis Néel a aussi construit et organisé le pôle scientifique de Grenoble. Louis Néel a créé en 1956 une filiale du CEA (Commissariat à l'énergie atomique) à Grenoble avec le Centre d'études nucléaires de Grenoble (CENG), très important pôle du nucléaire français, puis, avec René Pautheret, le Service national des champs intenses (SNCI) proposant aux chercheurs des champs à forte intensité (ce qui a permis de découvrir l'effet Hall quantique, entre autres), enfin, en 1967, l'Institut Laue-Langevin (ILL) qui propose aux chercheurs un réacteur à haut flux de source neutronique, permettant d'observer un matériau sans le détruire. Enfin, à partir de 1984, après le choix initial de Strasbourg, Louis Néel a persuadé l'État d'installer le nouveau synchrotron à Grenoble, European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), permettant aux chercheurs de disposer d'une force d'analyse des matériaux exceptionnelle.

Tous ces gros équipements d'investigation des matériaux font de Grenoble un pôle majeur de caractérisation des matériaux en Europe, mobilisant de nombreuses disciplines, non seulement la physique de matériaux, mais aussi la médecine, la biologie, la chimie, etc.

En plus de son propre laboratoire, Louis Néel a dirigé le CENG, présidé l'Institut national polytechnique de Grenoble (INPG) à partir 1954, l'équivalent d'une université regroupant plusieurs écoles d'ingénieurs créées à l'occasion de la construction de ce pôle, et il a présidé la Fondation Louis-de-Broglie de 1973 à 1991.

Comme on le voit, on parle parfois de capitaine d'industrie pour les grands patrons innovateurs, on pourrait parler pour Louis Néel de capitaine de sciences, à la fois chercheur, mais aussi organisateur, manager, mobilisateur des énergies, de budgets, de soutiens institutionnels.

Sur le plan scientifique, en tant que découvreur de deux types de magnétisme, l'antiferromagnétisme (1936) et le ferrimagnétisme (dans les années 1950), Louis Néel a reçu la prestigieuse Médaille d'or du CNRS en 1965 et le non moins prestigieux Prix Nobel de Physique en 1970, parmi d'autres récompenses également prestigieuses mais moins connues. La République l'a également couvert de décorations (ce qui n'est pas si courant que cela pour un scientifique) en raison de son engagement dans la Résistance et de son implication dans la Marine : notamment, grand-croix de la Légion d'honneur (en 1974), commandeur de l'ordre des Palmes académiques(en 1957), grand-croix de l'ordre national du Mérite (en 1972). Par ailleurs, il était amiral de réserve de la Marine nationale et amiral à titre honorifique de la Royal Navy (marine britannique). Hommage, donc, à l'amiral Néel !

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Sylvain Rakotoarison (15 novembre 2025)
http://www.rakotoarison.eu

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