Le matériau quantique magnétique élargit la plate-forme pour sonder les technologies de l’information de nouvelle génération

Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge ont utilisé la diffusion des neutrons pour déterminer si la structure atomique d’un matériau spécifique pouvait héberger un nouvel état de la matière appelé liquide de spin en spirale. En suivant de minuscules moments magnétiques appelés « spins » sur le réseau en nid d’abeille d’un aimant en trichlorure de fer en couches, l’équipe a trouvé le premier système 2D à héberger un liquide de spin en spirale.

Cette découverte fournit un banc d’essai pour les études futures des phénomènes physiques susceptibles de piloter les technologies de l’information de la prochaine génération. Ceux-ci incluent des fractons, ou des vibrations quantifiées collectives qui pourraient s’avérer prometteuses en informatique quantique, et des skyrmions, ou de nouvelles textures de spin magnétique qui pourraient faire progresser le stockage de données à haute densité.

« Les matériaux hébergeant des liquides de spin en spirale sont particulièrement intéressants en raison de leur potentiel d’utilisation pour générer des liquides de spin quantiques, des textures de spin et des excitations de fractons », a déclaré Shang Gao de l’ORNL, qui a dirigé l’étude publiée dans Lettres d’examen physique.

Une théorie de longue date prédit que le réseau en nid d’abeilles peut héberger un liquide de spin en spirale – une nouvelle phase de la matière dans laquelle les spins forment des structures fluctuantes en forme de tire-bouchon.

Pourtant, jusqu’à la présente étude, les preuves expérimentales de cette phase dans un système 2D manquaient. Un système 2D comprend un matériau cristallin en couches dans lequel les interactions sont plus fortes dans le plan que dans la direction d’empilement.

Gao a identifié le trichlorure de fer comme une plate-forme prometteuse pour tester la théorie, qui a été proposée il y a plus de dix ans. Lui et le co-auteur Andrew Christianson de l’ORNL ont approché Michael McGuire, également de l’ORNL, qui a beaucoup travaillé sur la croissance et l’étude des matériaux 2D, lui demandant s’il synthétiserait et caractériserait un échantillon de trichlorure de fer pour les mesures de diffraction des neutrons. Comme les couches de graphène 2D existent dans le graphite en vrac sous forme de réseaux en nid d’abeille de carbone pur, les couches de fer 2D existent dans le trichlorure de fer en vrac sous forme de couches en nid d’abeille 2D. « Des rapports précédents laissaient entendre que ce matériau en nid d’abeille intéressant pourrait montrer un comportement magnétique complexe à basse température », a déclaré McGuire.

« Chaque couche de fer en nid d’abeille a des atomes de chlore au-dessus et en dessous, formant des plaques de chlore-fer-chlore », a déclaré McGuire. « Les atomes de chlore au-dessus d’une dalle interagissent très faiblement avec les atomes de chlore au bas de la dalle suivante par le biais de la liaison van der Waals. Cette liaison faible rend les matériaux comme celui-ci facilement décollés en couches très fines, souvent jusqu’à une seule dalle . Ceci est utile pour développer des dispositifs et comprendre l’évolution de la physique quantique de trois dimensions à deux dimensions. »

Dans les matériaux quantiques, les spins des électrons peuvent se comporter de manière collective et exotique. Si un spin se déplace, tous réagissent – un état intriqué qu’Einstein a appelé « action effrayante à distance ». Le système reste dans un état de frustration – un liquide qui préserve le désordre car les spins des électrons changent constamment de direction, forçant les autres électrons intriqués à fluctuer en réponse.

La premières études de diffraction neutronique de cristaux de chlorure ferrique ont été réalisées à l’ORNL il y a 60 ans. Aujourd’hui, la vaste expertise de l’ORNL en matière de synthèse de matériaux, d’imagerie, de diffusion de neutrons, de théorie, de simulation et de calcul permet des explorations pionnières des matériaux quantiques magnétiques qui stimulent le développement de technologies de nouvelle génération pour la sécurité et le stockage de l’information.

La cartographie des mouvements de spin dans le liquide de spin en spirale a été rendue possible par des experts et des outils de la Spallation Neutron Source et du High Flux Isotope Reactor, installations des utilisateurs du DOE Office of Science à l’ORNL. Les co-auteurs de l’ORNL ont été essentiels au succès des expériences de diffusion de neutrons : Clarina dela Cruz, qui a dirigé des expériences à l’aide du diffractomètre POWDER de HFIR ; Yaohua Liu, qui a dirigé des expériences utilisant le spectromètre CORELLI de SNS ; Matthias Frontzek, qui a dirigé des expériences impliquant le diffractomètre WAND2 de HFIR ; Matthew Stone, qui a dirigé des expériences sur le spectromètre SEQUOIA de SNS ; et Douglas Abernathy, qui a dirigé des expériences avec le spectromètre ARCS de SNS.

« Les données de diffusion des neutrons provenant de nos mesures au SNS et au HFIR ont fourni des preuves convaincantes d’une phase liquide de spin en spirale », a déclaré Gao.

« Les expériences de diffusion de neutrons ont mesuré comment les neutrons échangent de l’énergie et de la quantité de mouvement avec l’échantillon, permettant de déduire les propriétés magnétiques », a déclaré le co-auteur Matthew Stone. Il a décrit la structure magnétique d’un liquide de spin en spirale : « Cela ressemble à une carte topographique d’un groupe de montagnes avec un groupe d’anneaux allant vers l’extérieur. Si vous deviez marcher le long d’un anneau, tous les spins pointeraient dans la même direction. Mais si vous marchez vers l’extérieur et traversez différents anneaux, vous allez voir ces rotations commencer à tourner autour de leurs axes. C’est la spirale.

« Notre étude montre que le concept d’un liquide de spin en spirale est viable pour la large classe de matériaux de réseau en nid d’abeilles », a déclaré le co-auteur Andrew Christianson. « Cela donne à la communauté une nouvelle voie pour explorer les textures de spin et de nouvelles excitations, telles que les fractons, qui pourront ensuite être utilisées dans de futures applications, telles que l’informatique quantique. »

Le titre de l’article est « Spiral Spin Liquid on a Honeycomb Lattice ».