Les études des transitions du premier ordre ou tri-critiques sont souvent influencées par des modèles théoriques qui font l’impasse sur les phénomènes microscopiques de la coexistence de phase. Pourtant l’impact de ces phénomènes sur les mesures macroscopiques d’un ferro-ferro comme le DKDP (KD₂PO₄) est important et peut être transposé à d’autres contextes en physique des solides. Deux exemples illustrent ce lien, pour les susceptibilités diélectriques et pour les hystérésis¹.

Susceptibilités diélectriques

Les variations en fonction de la température des susceptibilités diélectriques avec un champ conjugué de mesure par définition très faible dans les situations dites « naturelles » sont révélatrices. Les constante diélectrique 𝜀′ et constante de pertes 𝜀″ mesurées suivant l’axe ferroélectrique, peuvent être considérées comme la somme des contributions 𝜖′_m, 𝜖″_m d’un cristal mono-domaine, 𝜖′_d, 𝜖″_d liées aux domaines, 𝜖′_pc, 𝜖″_pc liées à la coexistence de phase^2,3 :
𝜀′ = 𝜖′_m + 𝜖′_d + 𝜖′_pc     et     𝜀″ = 𝜖″_m + 𝜖″_d +𝜖″_pc .

La Figure F1 illustre le lien entre les interfaces et les constantes diélectrique et de pertes pendant la coexistence de phase en fonction du temps (ou de la température mesurée) en situation quasi-statique (avec G perpendiculaire à l’axe ferro horizontal, E, 𝝈 pratiquement nuls). En cycle PF représenté, la situation instable avec création de domaines éparses est totalement différente de la situation FP avec une texture en domaines dense et stabilisée. Outre cette différence majeure (PF ou FP) les valeurs de 𝜖′_pc, 𝜖″_pc sont maximales dans les contextes instables, en cycle PF avec G, E, 𝝈 nuls³.

Suivant les valeurs des grandeurs G, E, 𝝈, la zone de coexistence de phase induit des textures en domaines différentes dans la zone de coexistence et aussi dans une région ferro de volume comparable. Les textures parfois contre-intuitives permettent un passage assez continu au niveau microscopique d’une région para à une région ferro pour toutes les déformations locales et pas seulement pour celle proportionnelle au paramètre d’ordre. Les susceptibilités diélectriques mesurées au niveau macroscopique peuvent être expliquées par des phénomènes microscopiques au niveau de déformations dix fois plus petites que celles du paramètre d’ordre³. On comprend également pourquoi les résultats d’expériences macroscopiques de qualité sur des échantillons de formes différentes peuvent être si différents.

Hystérésis thermiques et cycles d’hystérésis

L’étude de la coexistence de phase et des interfaces (front de phase et domaines) explique pourquoi l’hystérésis thermique mesuré macroscopiquement augmente souvent en fonction du champ conjugué appliqué plutôt que décroitre comme prévu par la théorie⁴ pour un cristal mono-domaine.
Les cycles thermiques PF et FP (donc P(T)_E), et les cycles d’hystérésis P(E)_T réalisés avec observation permanente des domaines et fronts de phase démontrent l’importance majeure des interfaces lorsqu’est appliqué un champ conjugué constant de valeur faible par rapport au champ qui rendrait mono-domaine l’échantillon ce qui semble bien normal. Les photographies (sections (010) à gauche et (100) à droite) de la Figure F2 devraient vous permettre de tester votre maitrise des phénomènes qui peuvent survenir au niveau microscopique : cycle PF ou FP ? zone d’hétéro-phase PFPFPF avec une texture en domaines dense ou clairsemée dans les régions ferro de la zone de coexistence ? avec champ conjugué extérieur appliqué ? Vous avez certainement trouvé les réponses développées dans les références^3,4,5.

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1 Bornarel, J., Cach, R.,Ferroelectrics 124,345 (1991), Bornarel, J., Cach, R., Kvitek Z. J.Phys.:Condens. Matter 8, 1137 (1996)
2 Bornarel, J., Cach,R., Phys. Rev. 60, 3806 (1999), J. Phys.: Condens. Matter 15, 4371 (2003)
3 Bornarel, J., Domaines, parois, fronts de phase d’un cristal ferroïque, EDP Sciences, Chap.5 et 6 (2025), Ferroic Crystal Domains, Walls, and Phase Fronts– Jean Bornarel Springer Series in Solid-State Sciences 209.
4 Kvitek, Z., Bornarel, J., J. Phys.: Condens. Matter 12, 7819 (2000)
5 Kvitek, Z., Thèse d’état, Université Joseph Fourier, Grenoble (1999)