Une équipe internationale de chercheurs, dont des physiciens de l’Université de Montréal, ont découvert un état quantique inhabituel dans un matériau magnétique créé en laboratoire. Ce matériau, composé de cérium, de zirconium et d’oxygène, possède un état fondamental proche d’un liquide de spin quantique (un nouvel état de la matière dont l’existence vient d’être confirmée).
En physique quantique, le spin (ou moment magnétique) est l’une des propriétés intrinsèques des électrons qui donne au matériau d’un aimant ses propriétés magnétiques ; les dos peuvent être considérés comme de petites boussoles pointant vers le haut ou vers le bas. Dans les aimants classiques, les spins des électrons voisins sont orientés dans la même direction, de sorte qu’une phase ferromagnétique (qui est à la base de l’aimantation) se forme.
A l’inverse, lorsque les spins des électrons voisins sont orientés dans des directions opposées, il n’y a pas d’aimantation ; le matériau dans ce cas est antiferromagnétique. Mais cette orientation anti-parallèle n’est possible qu’avec une certaine structure de réseau cristallin : c’est le physicien Philip Anderson qui suggéra en 1973 que l’on pouvait satisfaire cette condition d’anti-parallélisme avec un réseau triangulaire (car si deux spins sont anti-parallèles, le troisième est nécessairement parallèle à l’un des deux autres). Et dans ce cas, l’état d’énergie le plus bas (état fondamental) peut être atteint dans plusieurs configurations de spin.
Matériau au magnétisme « désaccordé »
« Les spins des électrons ne peuvent pas s’aligner car deux électrons voisins doivent toujours avoir des spins opposés, créant ce que nous appelons un désordre magnétique », explique Andrea Bianchi, physicienne à l’Université de Montréal, dans un communiqué. Parce qu’il peut passer spontanément d’une configuration de spin à une autre sans changer son énergie, le système est instable et manque d’ordre magnétique ; les spins prennent une structure désorganisée semblable à celle des molécules dans un liquide, d’où le terme « liquide de spin ».
Contrairement à la plupart des matériaux, dont les atomes deviennent de plus en plus désordonnés avec l’augmentation de la température, les liquides de spin restent désordonnés même à des températures proches du zéro absolu ; la direction des spins continue de fluctuer, conférant à cet état de la matière des propriétés inhabituelles.
Un échantillon d’un aimant Ce2Zr2O7 à base de cérium « cassé » développé dans le laboratoire d’Andrea Bianchi. © Université de Montréal
Les liquides de spin quantique intéressent beaucoup les physiciens car ils possèdent plusieurs états excités inconnus. Par conséquent, dans une nouvelle expérience, Bianchi et son équipe ont décidé de créer volontairement des réseaux triangulaires d’électrons pour créer des frustrations magnétiques à la base d’un matériau spécialement développé dans leur laboratoire avec la formule Ce2Zr2O7.
Ce2Zr2O7 est un matériau à base de cérium aux propriétés magnétiques dont l’existence était déjà connue. Les chercheurs l’ont synthétisé ici sous une forme exceptionnellement pure. « Nous avons utilisé des échantillons fondus dans un four optique pour obtenir un arrangement triangulaire d’atomes presque parfait », explique Bianchi. Ayant ainsi créé une frustration magnétique dans le matériau, ils ont mesuré la diffusion magnétique.
Enchevêtrement de dipôles et octupôles magnétiques
Les mesures ont révélé un chevauchement dans la fonction d’onde des particules, ce qui reflète clairement l’absence d’ordre magnétique. Les chercheurs ont également observé la distribution des spins, dont les directions fluctuent en permanence, ce qui est typique des liquides de spin et des frustrations magnétiques. En d’autres termes, le matériau créé se comportait comme un véritable liquide de spin à basse température.
Les distributions de charge magnétique associées aux octupôles et aux dipôles sont représentées aux sommets de cinq tétraèdres avec des angles communs qui font partie du réseau cristallin. © EM Smith et autres
En particulier, les chercheurs rapportent que les paramètres d’interaction mesurés indiquent un état fondamental liquide de spin quantique proche de la frontière entre le comportement « dipôle » et « octupôle », suggérant que le matériau à base de cérium a une phase liquide de spin quantique impliquant des dipôles et des octupôles magnétiques. . dans l’intrication quantique fluctuante. La découverte est d’autant plus exceptionnelle que les liquides de spin quantique ne contiennent généralement que des dipôles.
Des simulations informatiques ont confirmé les observations du groupe : elles ont en effet créé un état quantique jamais vu auparavant. « Notre matériau est révolutionnaire car nous sommes les premiers à montrer qu’il peut réellement agir comme un liquide de spin », note Bianchi. Selon lui, cette découverte pourrait notamment ouvrir la voie à de nouvelles approches dans la conception des ordinateurs quantiques.
