Une enquête informatique confirme le premier liquide de spin quantique 3D

Des travaux de détective informatique menés par des physiciens américains et allemands ont confirmé que le pyrochlore de cérium-zirconium est un liquide de spin quantique 3D.

Malgré leur nom, les liquides de spin quantique sont des matériaux solides dans lesquels l’intrication quantique et l’arrangement géométrique des atomes contrecarrent la tendance naturelle des électrons à s’ordonner magnétiquement les uns par rapport aux autres. La frustration géométrique dans un liquide de spin quantique est si grave que les électrons fluctuent entre les états magnétiques quantiques, quelle que soit leur froideur.

Les physiciens théoriciens travaillent régulièrement avec des modèles de mécanique quantique qui manifestent des liquides de spin quantique, mais trouver des preuves convaincantes qu’ils existent dans des matériaux physiques réels a été un défi de plusieurs décennies. Alors qu’un certain nombre de matériaux 2D ou 3D ont été proposés comme possibles liquides de spin quantique, le physicien Andriy Nevidomskyy de l’Université Rice a déclaré qu’il n’y avait pas de consensus établi parmi les physiciens sur la qualification de l’un d’entre eux.

Nevidomskyy espère que cela changera sur la base des recherches informatiques que lui et ses collègues de Rice, de l’Université d’État de Floride et de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, en Allemagne, ont publiées ce mois-ci dans la revue en libre accès npj Matériaux quantiques.

« Sur la base de toutes les preuves dont nous disposons aujourd’hui, ces travaux confirment que les monocristaux de pyrochlore de cérium identifiés comme candidats liquides de spin quantique 3D en 2019 sont bien des liquides de spin quantique avec des excitations de spin fractionnées », a-t-il déclaré.

La propriété inhérente des électrons qui conduit au magnétisme est le spin. Chaque électron se comporte comme une petite barre magnétique avec un pôle nord et un pôle sud et, lorsqu’il est mesuré, les spins d’électrons individuels pointent toujours vers le haut ou vers le bas. Dans la plupart des matériaux de tous les jours, les rotations pointent vers le haut ou vers le bas au hasard. Mais les électrons sont antisociaux par nature, ce qui peut les amener à organiser leurs spins par rapport à leurs voisins dans certaines circonstances. Dans les aimants, par exemple, les spins sont disposés collectivement dans la même direction, et dans les antiferromagnétiques, ils sont disposés selon un schéma haut-bas, haut-bas.

À très basse température, les effets quantiques deviennent plus importants, ce qui amène les électrons à organiser leurs spins collectivement dans la plupart des matériaux, même ceux où les spins pointeraient dans des directions aléatoires à température ambiante. Les liquides de spin quantiques sont un contre-exemple, où les spins ne pointent pas dans une direction définie, même vers le haut ou vers le bas, quel que soit le degré de froid du matériau.

« Un liquide de spin quantique, de par sa nature même, est un exemple d’état fractionné de la matière », a déclaré Nevidomskyy, professeur agrégé de physique et d’astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative et du Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . « Les excitations individuelles ne sont pas des retournements de spin de haut en bas ou vice versa. Ce sont ces objets bizarres et délocalisés qui portent la moitié d’un degré de liberté de spin. C’est comme la moitié d’un spin. »

Nevidomskyy faisait partie de l’étude de 2019 dirigée par le physicien expérimental de Rice, Pengcheng Dai, qui a trouvé la première preuve que le pyrochlore de cérium-zirconium était un liquide de spin quantique. Les échantillons de l’équipe étaient les premiers du genre : des pyrochlores en raison de leur rapport de 2 à 2 à 7 de cérium, de zirconium et d’oxygène, et des monocristaux parce que les atomes à l’intérieur étaient disposés en un réseau continu et ininterrompu. Les expériences de diffusion inélastique des neutrons par Dai et ses collègues ont révélé une caractéristique liquide de spin quantique, un continuum d’excitations de spin mesurées à des températures aussi basses que 35 millikelvins.

« On pourrait soutenir qu’ils ont trouvé le suspect et l’ont accusé du crime », a déclaré Nevidomskyy. « Notre travail dans cette nouvelle étude était de prouver au jury que le suspect est coupable. »

Nevidomskyy et ses collègues ont construit leur cas en utilisant des méthodes Monte Carlo de pointe, une diagonalisation exacte ainsi que des outils analytiques pour effectuer les calculs de dynamique de spin pour un modèle de mécanique quantique existant du pyrochlore de cérium zirconium. L’étude a été conçue par Nevidomskyy et Roderich Moessner de Max Planck, et les simulations de Monte Carlo ont été réalisées par Anish Bhardwaj et Hitesh Changlani de l’État de Floride, avec la contribution de Han Yan de Rice et de Shu Zhang de Max Planck.

« Le cadre de cette théorie était connu, mais les paramètres exacts, dont il y en a au moins quatre, ne l’étaient pas », a déclaré Nevidomskyy. « Dans différents composés, ces paramètres pourraient avoir des valeurs différentes. Notre objectif était de trouver ces valeurs pour le pyrochlore de cérium et de déterminer si elles décrivent un liquide de spin quantique. »

« Ce serait comme un expert en balistique qui utilise la deuxième loi de Newton pour calculer la trajectoire d’une balle », a-t-il déclaré. « La loi de Newton est connue, mais elle n’a de pouvoir prédictif que si vous fournissez les conditions initiales telles que la masse et la vitesse initiale de la balle. Ces conditions initiales sont analogues à ces paramètres. conditions à l’intérieur de ce matériau de cérium?’ et, ‘Est-ce que cela correspond à la prédiction de ce liquide de spin quantique ?' »

Pour construire un dossier convaincant, les chercheurs ont testé le modèle par rapport aux résultats thermodynamiques, de diffusion des neutrons et de magnétisation d’études expérimentales précédemment publiées sur le pyrochlore de cérium-zirconium.

« Si vous n’avez qu’un seul élément de preuve, vous pourriez par inadvertance trouver plusieurs modèles qui correspondent toujours à la description », a déclaré Nevidomskyy. « Nous avons en fait apparié non pas un, mais trois éléments de preuve différents. Ainsi, un seul candidat devait correspondre aux trois expériences. »

Certaines études ont impliqué le même type de fluctuations magnétiques quantiques qui surviennent dans les liquides de spin quantique comme une cause possible de supraconductivité non conventionnelle. Mais Nevidomskyy a déclaré que les découvertes informatiques sont principalement d’un intérêt fondamental pour les physiciens.

« Cela satisfait notre désir inné, en tant que physiciens, de découvrir comment fonctionne la nature », a-t-il déclaré. « Je ne connais aucune application qui pourrait en bénéficier. Ce n’est pas immédiatement lié à l’informatique quantique, bien qu’il existe des idées pour utiliser des excitations fractionnées comme plate-forme pour les qubits logiques. »

Il a déclaré qu’un point particulièrement intéressant pour les physiciens est le lien profond entre les liquides de spin quantique et la réalisation expérimentale de monopôles magnétiques, des particules théoriques dont l’existence potentielle est encore débattue par les cosmologistes et les physiciens des hautes énergies.

« Quand les gens parlent de fractionnement, ce qu’ils veulent dire, c’est que le système se comporte comme si une particule physique, comme un électron, se divisait en deux moitiés qui se promenaient puis se recombinaient quelque part plus tard », a déclaré Nevidomskyy. « Et dans les aimants au pyrochlore comme celui que nous avons étudié, ces objets errants se comportent d’ailleurs comme des monopôles magnétiques quantiques. »

Les monopôles magnétiques peuvent être visualisés comme des pôles magnétiques isolés comme le pôle orienté vers le haut ou vers le bas d’un seul électron.

« Bien sûr, en physique classique, on ne peut jamais isoler une seule extrémité d’un barreau magnétique », a-t-il déclaré. « Les monopôles nord et sud viennent toujours par paires. Mais en physique quantique, des monopôles magnétiques peuvent hypothétiquement exister, et les théoriciens quantiques les ont construits il y a près de 100 ans pour explorer des questions fondamentales sur la mécanique quantique.

« Pour autant que nous sachions, les monopôles magnétiques n’existent pas sous une forme brute dans notre univers », a déclaré Nevidomskyy. « Mais il s’avère qu’une version sophistiquée des monopôles existe dans ces liquides de spin quantique de pyrochlore de cérium. Un seul retournement de spin crée deux quasi-particules fractionnées appelées spinons qui se comportent comme des monopôles et errent autour du réseau cristallin. »

L’étude a également trouvé des preuves que des spinons de type monopôle ont été créés de manière inhabituelle dans le pyrochlore de cérium-zirconium. En raison de la disposition tétraédrique des atomes magnétiques dans le pyrochlore, l’étude suggère qu’ils développent des moments magnétiques octupolaires – des quasiparticules magnétiques de type spin à huit pôles – à basse température. La recherche a montré que les spinons dans le matériau étaient produits à la fois à partir de ces sources octupolaires et de moments de spin dipolaires plus conventionnels.

« Notre modélisation a établi les proportions exactes des interactions de ces deux composants entre eux », a déclaré Nevidomskyy. « Cela ouvre un nouveau chapitre dans la compréhension théorique non seulement des matériaux de pyrochlore de cérium, mais aussi des liquides de spin quantique octupolaire en général. »