Herbertsmithite

L'herbertsmithite est un minéral ayant comme structure Zn Cu₃(OH)₆Cl₂. Nommé en hommage au minéralogiste britannique Herbert Smith (1872–1953) (en), il a été découvert, au Chili, en 1972 et intégré au catalogue de l'Association internationale de minéralogie en 2003. C'est un polymorphe du groupe cristallochimique de l'atacamite avec la kapellisite, étroitement apparenté à la paratacamite, et facilement confondu avec la clinoatacamite. La paratacamite se transforme de façon réversible en herbertsmithite entre 353 K et 393 K (soit entre 79,85 C et 119,85 C)[3]. L'herbertsmithite est très présente dans le secteur d'Anarak en Iran d'où son autre nom : anarakite.

Général
Herbertsmithite Catégorie III : halogénures[1]
Herbertsmithite de Caracoles, District de Sierra Gorda, Province de Tocopilla, Chili. Taille : 4,5 x 4,4 x 2,7 cm.
Classe de Strunz	3.DA.10c 3 HALIDES 3.D Oxyhalides, Hydroxyhalides and Related Double Halides 3.DA With Cu, etc., without Pb 3.DA.10c Gillardite Cu3NiCl2(OH)6 Space Group R 3m Point Group 3 3.DA.10c Kapellasite Cu3Zn(OH)6Cl2 Space Group P 3m1 Point Group 3 2/m 3.DA.10c Haydeeite Cu3Mg(OH)6Cl2 Space Group R 3m Point Group 3 3.DA.10c Paratacamite (Cu,Zn)2(OH)3Cl Space Group R 3 Point Group 3 3.DA.10c Herbertsmithite Cu3Zn(OH)6Cl2 Space Group R 3m Point Group 3 2/m
Classe de Dana	10.01.02.03 Halogénures 10. Oxyhalogénures et hydroxyhalogénures
Formule chimique	ZnCu₃(OH)₆Cl₂
Identification
Couleur	Vert clair, vert-bleu, vert émeraude
Classe cristalline et groupe d'espace	Scalénoédrique hexagonal (3m) H.-M. : polyèdre (3 2/m)
Système cristallin	Trigonal
Réseau de Bravais	a = 6,834 Å c = 14,075 Å ; Z = 3
Clivage	{1011} Bon
Habitus	Agrégats de cristal rhomboédrique
Échelle de Mohs	3 à 3,5
Éclat	Vitreux à adamantin
Propriétés optiques
Indice de réfraction	n_ε 1,817, n_ω 1,825
Biréfringence	Uniaxiale (-) ; 0,0080
Transparence	transparent
Propriétés chimiques
Masse volumique	3,75 - 3,95 g/cm³
Densité	3,85 - 3,95 g/cm³ (mesurée), 3,76 g/cm³ (calculée) [2]
Propriétés physiques
Radioactivité	aucune

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

L'herbertsmithite est associée à la minéralisation du cuivre dans les porphyres syénitiques et les granites au Chili et dans les formations triasiques dolomitiques en Iran. On en extrait aussi en Arizona dans les Monts Big Horn, dans le comté de Maricopa et dans la région minière grecque de Lavrio en Attique[2].

L'herbertsmithite a un aspect vitreux, assez transparent avec une couleur vert clair à bleu-vert. Sa dureté est comprise entre 3 et 3,5 sur l'echelle de Mohs et est connue pour avoir une ténacité fragile. La densité du cristal a été calculée à 3,76 g/cm³.

Cette image représente les effets magnétiques dans les cristaux d'herbertsmithite, où les régions vertes représentent une diffusion plus élevée des neutrons du spectromètre à cristal multi-angle (MACS) du NIST. Les scans de matériaux magnétiques très ordonnés typiques ne montrent que des points isolés par du vert, tandis que les matériaux désordonnés montrent une couleur uniforme sur l'ensemble de l'échantillon. La nature intermédiaire de ces données montre un certain ordre dans le désordre, ce qui implique les effets magnétiques inhabituels dans un liquide de spin.

Ce minéral est très étudié en magnétisme car sa frustration géométrique génère des phases magnétiques exotiques, comme le liquide de spin. Ses propriétés quantiques de liquide de spin sont découvertes en 2012 dans sa forme synthétique pure, une forme généralisée de liquide de spin quantique fortement corrélé de liquide de spin[4]^,[5]^,[6] dû à sa structure en trame de Kagomé. L'herbertsmithite est le premier minéral connu à montrer cet état magnétique unique : ni ferromagnétisme avec presque toutes les particules alignées, ni antiferromagnétisme avec la plupart particules magnétiques en opposition sur des côté adjacents ; les particules ont des orientations magnétiques (spin) fluctuant constamment et ce même à la température du zéro absolu.

Les observations de conductivité optique[7] suggèrent que l'état magnétique dans cette matière est une sorte champ de gauge d'un liquide de spin de Dirac continu.

D'autres expériences et certains calculs numériques suggèrent à contrario que c'est un liquide de spin $\mathbb {Z} _{2}$ —en d'autres termes, qu'il a un ordre topologique $\mathbb {Z} _{2}$ [8]^,[9]^,[10].

Références

La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
« Herbertsmithite: Mineral information, data and localities », sur www.mindat.org (consulté le 19 août 2020).
(en) Mark D. Welch, Matthew J. Sciberras, Peter A. Williams et Peter Leverett, « A temperature-induced reversible transformation between paratacamite and herbertsmithite », Physics and Chemistry of Minerals, vol. 41, n^o 1,‎ 1^er janvier 2014, p. 33–48 (ISSN 1432-2021, DOI 10.1007/s00269-013-0621-5, résumé).
(en) David L. Chandler, « MIT researchers discover a new kind of magnetism », MIT News,‎ 19 décembre 2012 (lire en ligne, consulté le 19 août 2020).
(en) Domenico Di Sante, Johanna Erdmenger, Martin Greiter et Ioannis Matthaiakakis, « Turbulent hydrodynamics in strongly correlated Kagome metals », Nature Communications, vol. 11, n^o 1,‎ 10 août 2020, p. 1–7 (ISSN 2041-1723, DOI 10.1038/s41467-020-17663-x, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).
(en) V. R. Shaginyan, « Identification of Strongly Correlated Spin Liquid in Herbertsmithite », EPL, vol. 97, n^o 5,‎ 2012, p. 56001 (DOI 10.1209/0295-5075/97/56001, arXiv 1111.0179).
(en) D. V. Pilon, C. H. Lui, T.-H. Han et D. Shrekenhamer, « Spin-Induced Optical Conductivity in the Spin-Liquid Candidate Herbertsmithite », Physical Review Letters, vol. 111, n^o 12,‎ 18 septembre 2013, p. 127401 (DOI 10.1103/PhysRevLett.111.127401, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).
(en) Tian-Heng Han, Joel S. Helton, Shaoyan Chu et Daniel G. Nocera, « Fractionalized excitations in the spin-liquid state of a kagome-lattice antiferromagnet », Nature, Springer Science and Business Media LLC, vol. 492, n^o 7429,‎ décembre 2012, p. 406–410 (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/nature11659, arXiv 1307.5047, résumé).
(en) Mingxuan Fu, Takashi Imai, Tian-Heng Han et Young S. Lee, « Evidence for a gapped spin-liquid ground state in a kagome Heisenberg antiferromagnet », Science, vol. 350, n^o 6261,‎ 6 novembre 2015, p. 655–658 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 26542565, DOI 10.1126/science.aab2120, arXiv 1511.02174, résumé, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).
(en) Tian-Heng Han, M. R. Norman, J.-J. Wen, Jose A. Rodriguez-Rivera, Joel S. Helton, Collin Broholm et Young S. Lee, « Correlated impurities and intrinsic spin-liquid physics in the kagome material herbertsmithite », Physical Review B, American Physical Society (APS), vol. 94, n^o 6,‎ 18 août 2016, p. 060409 (ISSN 2469-9950, DOI 10.1103/physrevb.94.060409, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).

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[1] La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.

[Mindat-2] « Herbertsmithite: Mineral information, data and localities », sur www.mindat.org (consulté le 19 août 2020).

[3] (en) Mark D. Welch, Matthew J. Sciberras, Peter A. Williams et Peter Leverett, « A temperature-induced reversible transformation between paratacamite and herbertsmithite », Physics and Chemistry of Minerals, vol. 41, n^o 1,‎ 1^er janvier 2014, p. 33–48 (ISSN 1432-2021, DOI 10.1007/s00269-013-0621-5, résumé).

[mit-qsl-4] (en) David L. Chandler, « MIT researchers discover a new kind of magnetism », MIT News,‎ 19 décembre 2012 (lire en ligne, consulté le 19 août 2020).

[5] (en) Domenico Di Sante, Johanna Erdmenger, Martin Greiter et Ioannis Matthaiakakis, « Turbulent hydrodynamics in strongly correlated Kagome metals », Nature Communications, vol. 11, n^o 1,‎ 10 août 2020, p. 1–7 (ISSN 2041-1723, DOI 10.1038/s41467-020-17663-x, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).

[6] (en) V. R. Shaginyan, « Identification of Strongly Correlated Spin Liquid in Herbertsmithite », EPL, vol. 97, n^o 5,‎ 2012, p. 56001 (DOI 10.1209/0295-5075/97/56001, arXiv 1111.0179).

[7] (en) D. V. Pilon, C. H. Lui, T.-H. Han et D. Shrekenhamer, « Spin-Induced Optical Conductivity in the Spin-Liquid Candidate Herbertsmithite », Physical Review Letters, vol. 111, n^o 12,‎ 18 septembre 2013, p. 127401 (DOI 10.1103/PhysRevLett.111.127401, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).

[8] (en) Tian-Heng Han, Joel S. Helton, Shaoyan Chu et Daniel G. Nocera, « Fractionalized excitations in the spin-liquid state of a kagome-lattice antiferromagnet », Nature, Springer Science and Business Media LLC, vol. 492, n^o 7429,‎ décembre 2012, p. 406–410 (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/nature11659, arXiv 1307.5047, résumé).

[9] (en) Mingxuan Fu, Takashi Imai, Tian-Heng Han et Young S. Lee, « Evidence for a gapped spin-liquid ground state in a kagome Heisenberg antiferromagnet », Science, vol. 350, n^o 6261,‎ 6 novembre 2015, p. 655–658 (ISSN 0036-8075 et 1095-9203, PMID 26542565, DOI 10.1126/science.aab2120, arXiv 1511.02174, résumé, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).

[10] (en) Tian-Heng Han, M. R. Norman, J.-J. Wen, Jose A. Rodriguez-Rivera, Joel S. Helton, Collin Broholm et Young S. Lee, « Correlated impurities and intrinsic spin-liquid physics in the kagome material herbertsmithite », Physical Review B, American Physical Society (APS), vol. 94, n^o 6,‎ 18 août 2016, p. 060409 (ISSN 2469-9950, DOI 10.1103/physrevb.94.060409, lire en ligne, consulté le 19 août 2020).