État quantique inhabituel de la matière observé pour la première fois

Ce n’est pas tous les jours que l’on découvre un nouvel état de la matière en physique quantique, le domaine scientifique consacré à la description du comportement des particules atomiques et subatomiques afin d’élucider leurs propriétés.

C’est pourtant ce qu’a fait une équipe internationale de chercheurs comprenant Andrea Bianchi, professeur de physique à l’Université de Montréal et chercheur au Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, et ses étudiants Avner Fitterman et Jérémi Dudemaine.

Dans un article récent publié dans la revue scientifique Examen physique Xles chercheurs documentent un « état fondamental liquide de spin quantique » dans un matériau magnétique créé dans le laboratoire de Bianchi : Ce2Zr2O7, un composé composé de cérium, de zirconium et d’oxygène.

Comme un liquide enfermé dans un solide extrêmement froid

En physique quantique, le spin est une propriété interne des électrons liée à leur rotation. C’est le spin qui confère au matériau d’un aimant ses propriétés magnétiques.

Dans certains matériaux, le spin se traduit par une structure désorganisée similaire à celle des molécules dans un liquide, d’où l’expression «liquide de spin».

En général, un matériau devient plus désorganisé à mesure que sa température augmente. C’est le cas, par exemple, lorsque l’eau se transforme en vapeur. Mais la principale caractéristique des liquides de spin est qu’ils restent désorganisés même lorsqu’ils sont refroidis jusqu’au zéro absolu (–273 °C).

Les liquides de spin restent désorganisés car la direction du spin continue de fluctuer à mesure que le matériau se refroidit au lieu de se stabiliser à l’état solide, comme c’est le cas dans un aimant classique, dans lequel tous les spins sont alignés.

L’art des électrons « frustrants »

Imaginez un électron comme une petite boussole pointant vers le haut ou vers le bas. Dans les aimants conventionnels, les spins des électrons sont tous orientés dans la même direction, vers le haut ou vers le bas, créant ce que l’on appelle une « phase ferromagnétique ». C’est ce qui maintient les photos et les notes épinglées sur votre réfrigérateur.

Mais dans les liquides à spin quantique, les électrons sont positionnés dans un réseau triangulaire et forment un « ménage à trois » caractérisé par une turbulence intense qui interfère avec leur ordre. Le résultat est une fonction d’onde intriquée et aucun ordre magnétique.

« Lorsqu’un troisième électron est ajouté, 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 », a expliqué Bianchi. « Cela génère des excitations qui maintiennent le désordre des spins et donc l’état liquide, même à très basse température. »

Alors, comment ont-ils ajouté un troisième électron et provoqué une telle frustration ?

Créer un ménage à trois

Entrez l’aimant frustré Ce2Zr2O7 créé par Bianchi dans son laboratoire. À sa liste déjà longue de réalisations dans le développement de matériaux avancés tels que les supraconducteurs, nous pouvons maintenant ajouter « maître dans l’art des aimants frustrants ».

Ce2Zr2O7 est un matériau à base de cérium aux propriétés magnétiques. « L’existence de ce composé était connue », a déclaré Bianchi. « Notre percée consistait à le créer sous une forme particulièrement pure. Nous avons utilisé des échantillons fondus dans un four optique pour produire un arrangement triangulaire d’atomes presque parfait, puis nous avons vérifié l’état quantique. »

C’est ce triangle presque parfait qui a permis à Bianchi et à son équipe de l’UdeM de créer une frustration magnétique dans Ce2Zr2O7. En collaboration avec des chercheurs des universités McMaster et de l’État du Colorado, du Laboratoire national de Los Alamos et de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, en Allemagne, ils ont mesuré la diffusion magnétique du composé.

« Nos mesures ont montré une fonction de particules qui se chevauchent – donc pas de pics de Bragg – un signe clair de l’absence d’ordre magnétique classique », a déclaré Bianchi. « Nous avons également observé une distribution de spins avec des directions fluctuantes en continu, ce qui est caractéristique des liquides de spin et de la frustration magnétique. Cela indique que le matériau que nous avons créé se comporte comme un véritable liquide de spin à basse température. »

Du rêve à la réalité

Après avoir corroboré ces observations avec des simulations informatiques, l’équipe a conclu qu’ils assistaient effectivement à un état quantique jamais vu auparavant.

« Identifier un nouvel état quantique de la matière est un rêve devenu réalité pour tout physicien », a déclaré Bianchi. « Notre matériau est révolutionnaire car nous sommes les premiers à montrer qu’il peut effectivement se présenter sous la forme d’un liquide de spin. Cette découverte pourrait ouvrir la porte à de nouvelles approches dans la conception d’ordinateurs quantiques. »

Aimants frustrés en bref

Le magnétisme est un phénomène collectif dans lequel les électrons d’un matériau tournent tous dans le même sens. Un exemple courant est le ferromagnétique, qui doit ses propriétés magnétiques à l’alignement des spins. Les électrons voisins peuvent également tourner dans des directions opposées. Dans ce cas, les spins ont encore des directions bien définies mais il n’y a pas d’aimantation. Les aimants frustrés sont frustrés parce que les électrons voisins essaient d’orienter leurs spins dans des directions opposées, et lorsqu’ils se retrouvent dans un réseau triangulaire, ils ne peuvent plus s’installer sur un arrangement commun et stable. Le résultat : un aimant frustré.