Un état quantique inhabituel de la matière observé pour la première fois

Une équipe internationale de scientifiques a récemment annoncé l’observation d’un état quantique inédit de la matière, semblable au liquide de spin quantique, au sein d’un matériau magnétique.

Ménage à trois et frustration magnétique

Comparable à une boussole, le spin constitue une propriété essentielle en physique quantique, influençant l’agencement des électrons (particules élémentaires extrêmement légères chargées négativement gravitant autour d’un noyau atomique). Dans certains matériaux, celui-ci donne lieu à une structure désorganisée semblable à celle des molécules, d’où l’expression « liquide de spin ».

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À l’instar de l’eau lorsqu’elle se transforme en vapeur, l’augmentation de la température dans un matériau a habituellement pour effet de désorganiser sa structure, mais il se trouve que celle des liquides de spin le reste, même lorsque ces derniers sont refroidis juste au-dessus du zéro absolu (-273 °C), en raison des fluctuations continues de la direction du spin.

Contrairement aux aimants classiques, où les spins des électrons sont tous orientés dans la même direction (créant une phase ferromagnétique), les électrons des liquides de spin quantiques sont organisés en réseaux triangulaires. Ce « ménage à trois » est caractérisé par une turbulence intense qui perturbe leur ordre.

« Lorsqu’un troisième électron est ajouté, les spins des électrons ne peuvent plus s’aligner car les deux électrons voisins doivent toujours avoir des spins opposés, créant ce que nous appelons de la frustration magnétique. Cela génère des excitations qui maintiennent le désordre des spins et donc l’état liquide, même à très basse température », explique Andrea Bianchi, professeur de physique à l’université de Montréal.

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Un matériau révolutionnaire

Dans le cadre de travaux détaillés dans la revue Physical Review X, Bianchi et ses collègues sont parvenus à créer une forme exceptionnellement pure de Ce2Zr2O7, matériau composé de cérium, de zirconium et d’oxygène connu pour ses propriétés magnétiques. Pour ce faire, l’équipe a utilisé des échantillons fondus dans un four optique, obtenant un arrangement triangulaire quasi parfait des atomes et, par conséquent, une forme de frustration magnétique dans le matériau, dont la diffusion magnétique a été mesurée.

« Nos mesures ont révélé un chevauchement de la fonction d’onde des particules, traduisant l’absence d’ordre magnétique », détaille Bianchi. « Nous avons 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. »

Des simulations informatiques ont permis de confirmer que les scientifiques observaient bel et bien un état quantique jamais vu auparavant. Selon Bianchi, ce matériau révolutionnaire pourrait notamment ouvrir la voie à de nouvelles approches dans la conception d’ordinateurs quantiques.

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