Un état quantique inhabituel a été observé pour la première fois (dans un matériau créé en laboratoire)

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| Pixabay
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Une équipe internationale de chercheurs, comprenant des physiciens de l’Université de Montréal, a découvert un état quantique inhabituel dans un matériau magnétique créé en laboratoire. Ce matériau, composé de cérium, de zirconium et d’oxygène, présente en effet un état fondamental similaire à un liquide de spin quantique (un nouvel état de la matière dont l’existence a été confirmée récemment).

En physique quantique, le spin (ou moment magnétique) est l’une des propriétés internes des électrons, qui confère au matériau d’un aimant ses propriétés magnétiques ; les spins peuvent être vus comme de petites boussoles, pointant vers le haut ou vers le bas. Dans les aimants classiques, les spins d’électrons voisins sont tous orientés dans la même direction, de manière à former une phase ferromagnétique (qui est à la base de l’aimantation).

À l’inverse, lorsque les spins d’électrons voisins sont orientés dans des directions opposées, il n’y a pas d’aimantation ; le matériau est dans ce cas antiferromagnétique. Mais cette orientation antiparallèle n’est possible que dans une certaine structure du réseau cristallin : c’est le physicien Philip Anderson, qui en 1973, a suggéré qu’il était possible de satisfaire cette condition d’antiparallélisme au moyen d’un réseau triangulaire (car si deux spins sont antiparallèles, le troisième est forcément parallèle à l’un des deux autres). Et dans ce cas, l’état de plus basse énergie (l’état fondamental) peut être atteint dans plusieurs configurations de spins.

Un matériau au magnétisme « frustré »

« Les spins des électrons ne peuvent pas s’aligner, car les deux électrons voisins doivent toujours avoir des spins opposés, créant ce que nous appelons une frustration magnétique », explique dans un communiqué Andrea Bianchi, physicien à l’Université de Montréal. Parce qu’il peut passer spontanément d’une configuration de spins à une autre sans changer son énergie, le système est instable et dépourvu d’ordre magnétique ; les spins adoptent une structure désorganisée similaire à celle des molécules dans un liquide, d’où l’expression de « liquide de spin ».

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Contrairement à la plupart des matériaux, dont les atomes deviennent de plus en plus désordonnés à mesure que leur température augmente, les liquides de spin restent désordonnés même à une température proche du zéro absolu ; la direction des spins continue de fluctuer, ce qui confère à cet état de la matière des propriétés inhabituelles.

aimant frustration magnétique
Un échantillon de l’aimant « frustré » à base de cérium, Ce2Zr2O7, conçu dans le laboratoire d’Andrea Bianchi. © Université de Montréal

Les liquides de spin quantiques sont d’un grand intérêt pour les physiciens, car ils possèdent plusieurs états excités encore méconnus. Dans une nouvelle expérience, Bianchi et son équipe ont donc entrepris de créer volontairement des réseaux triangulaires d’électrons pour générer une frustration magnétique au cœur d’un matériau spécialement mis au point dans leur laboratoire, de formule Ce2Zr2O7.

Le Ce2Zr2O7 est un matériau à base de cérium doté de propriétés magnétiques, dont l’existence était déjà connue. Les chercheurs l’ont synthétisé ici sous une forme extrêmement pure. « Nous avons utilisé des échantillons fondus dans un four optique pour produire un arrangement triangulaire quasi parfait des atomes », précise Bianchi. Après avoir créé ainsi une frustration magnétique dans le matériau, ils ont mesuré la diffusion magnétique.

Une intrication de dipôles et d’octupôles magnétiques

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Les mesures ont révélé un chevauchement de la fonction d’onde des particules, ce qui traduit bien l’absence d’ordre magnétique. Les chercheurs ont également observé une distribution de spins dont les directions fluctuent continuellement, ce qui est caractéristique des liquides de spin et de la frustration magnétique. En d’autres termes, le matériau créé se comportait comme un véritable liquide de spin à basse température.

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Les distributions de charge magnétique associées aux octupôles et aux dipôles sont représentées aux sommets de cinq tétraèdres à coins partagés, constituant une partie du réseau cristallin. © E. M. Smith et al.

Plus précisément, les chercheurs rapportent que les paramètres d’interaction mesurés indiquent un état fondamental liquide de spin quantique proche de la frontière entre le comportement « dipolaire » et « octupolaire » — ce qui suggère que le matériau à base de cérium possède une phase de liquide de spin quantique impliquant des dipôles et des octupôles magnétiques en intrication quantique fluctuante. Une découverte d’autant plus exceptionnelle que les liquides de spin quantiques n’impliquent généralement que des dipôles.

Des simulations informatiques ont permis de confirmer les observations de l’équipe : ils avaient bel et bien créé un état quantique jamais observé auparavant. « Notre matériau est révolutionnaire, car nous sommes les premiers à montrer qu’il peut effectivement se présenter comme un liquide de spin », souligne Bianchi. Selon lui, cette découverte pourrait notamment ouvrir la voie à de nouvelles approches dans la conception d’ordinateurs quantiques.

Source : E. M. Smith et al., Physical Review X

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