Une étude décrit les signatures spectroscopiques du fractionnement dans la glace de spin quantique octupolaire

Les liquides de spin quantique sont des systèmes quantiques fascinants qui ont récemment attiré l’attention des chercheurs. Ces systèmes se caractérisent par une forte compétition entre interactions, qui empêche l’établissement d’un ordre magnétique à longue portée, tel que celui observé dans les aimants conventionnels, où tous les spins s’alignent dans la même direction pour produire un champ magnétique net.

Des chercheurs de l’Université de Toronto ont récemment introduit un cadre qui pourrait faciliter l’observation expérimentale d’un nouveau liquide de spin quantique 3D connu sous le nom de glace de spin quantique octupolaire à flux π (π-O-QSI). Leur papierPublié dans Lettres d’examen physiqueprédit les signatures spectroscopiques distinctives de ce système, qui pourraient être mesurées dans de futures expériences.

« Fait intéressant, les liquides de spin quantique peuvent héberger des excitations fractionnées », a déclaré Félix Desrochers, co-auteur de l’article, à Phys.org. « A savoir, les électrons dans ces matériaux semblent se dissocier en plusieurs composants. Par exemple, alors que les électrons portent à la fois le spin et la charge, la quasi-particule émergente peut porter le spin mais aucune charge.

« Ces excitations ne proviennent pas de la fragmentation des électrons en plusieurs morceaux mais sont plutôt le résultat d’une forme très non triviale de mouvement collectif induit par leurs fortes interactions. »

Les physiciens recherchent depuis des décennies des exemples clairs de l’état liquide de spin quantique. Néanmoins, les progrès dans ce domaine de recherche ont été lents jusqu’à présent, en raison de deux facteurs principaux.

Premièrement, la conception de modèles théoriques décrivant de manière réaliste les états fondamentaux des liquides de spin et pouvant être utilisés pour dériver des prédictions précises s’est avérée un défi. Deuxièmement, détecter et caractériser les propriétés physiques de ces systèmes dans des matériaux réels s’est également révélé difficile.

« La glace de spin quantique (QSI) est un exemple rare de modèle avec un état fondamental liquide de spin quantique bien compris et peut également être trouvée dans un matériau réel (comme la famille des pyrochlores de terres rares) », a expliqué Desrochers.

« QSI est extraordinaire car il réalise l’équivalent en réseau de l’électrodynamique quantique : il héberge des modes émergents de type photon (c’est-à-dire des excitations similaires à des particules de lumière), des particules analogues à des charges électrostatiques avec une interaction coulombienne mutuelle connue sous le nom de spinons et même des monopôles magnétiques. « 

Sur la base de prédictions théoriques, l’électrodynamique quantique émergente dans QSI diffère considérablement de l’électrodynamique conventionnelle. Par exemple, la vitesse de la « lumière émergente » devrait être de l’ordre de 1 m/s, par opposition aux 3 x 108 m/s de lumière que nous rencontrons dans la vie quotidienne.

« Les récentes expériences sur Ce2Zr2O7, Ce2Sn2O7 et Ce2Hf2O7 ont été extrêmement passionnantes », a déclaré Desrochers. « Les matériaux ne présentent aucun signe de mise en ordre jusqu’à la température la plus basse accessible.

« Des analyses plus poussées ont déterminé les paramètres microscopiques décrivant son comportement. Ils ont constaté que le système se trouve dans une région de l’espace des paramètres qui est théoriquement suggérée pour héberger une saveur spécifique de QSI connue sous le nom de glace de spin quantique à flux π (π-QSI). »

Bien que des études récentes aient rassemblé des résultats encourageants, l’identification fiable des liquides à spin quantique est une tâche très complexe, car même un trouble faible pourrait potentiellement perturber ces états. Pour détecter ces états sans ambiguïté, les chercheurs doivent d’abord identifier les signatures distinctives spécifiques d’un liquide à spin quantique, qui restent stables.

« Avant nos travaux, il n’existait aucune proposition claire concernant la signature de la dynamique de spin dans le QSI à flux π », a expliqué Desrochers. « Notre travail visait donc à mettre en évidence des signatures distinctes potentielles qui pourraient aider à identifier si le QSI à flux π est réalisé dans Ce2Zr2O7 et d’autres composés similaires. Nous nous sommes particulièrement concentrés sur les signatures qui pourraient être mesurées avec les appareils expérimentaux actuellement disponibles. »

Dans le cadre de leur étude, Desrochers et son doctorat. Le superviseur Yong Baek Kim a entrepris de prédire les signatures spectroscopiques distinctives de l’état QSI à flux π en utilisant un cadre théorique introduite par Lucile Savary et Léon Balents en 2012, connue sous le nom de théorie du champ moyen de jauge (GMFT). Ce cadre réécrit essentiellement les opérateurs de spin initiaux sur la base des excitations émergentes présentes dans la glace de spin quantique, à savoir les photons et les spinons.

« Ce cadre était déjà utilisé pour étudier le QSI à flux π dans certains des premiers travaux utilisant GMFT », a déclaré Desrochers. « Nous avons donc élargi ce travail dans le but de faire des prédictions expérimentalement significatives. Pour garantir la fiabilité de nos prévisions, nous avons également effectué des comparaisons approfondies avec les résultats numériques précédents de notre groupe et de la littérature. »

Cette étude récente de Desrochers et Kim offre une prédiction significative des signatures spectroscopiques distinctives du QSI à l’état liquide de spin π-flux. Ces signatures pourraient guider de futures études expérimentales, aidant ainsi les physiciens à confirmer la présence de cet état exotique.

« Nous avons souligné que le QSI à flux π devrait produire trois pics d’intensité décroissante dans la diffusion inélastique des neutrons », a déclaré Desrochers. « Il s’agit d’une signature unique et distinctive. S’ils étaient mesurés, ces trois pics fourniraient une preuve irréfutable de la réalisation expérimentale de ce QSL tridimensionnel. »

Desrochers et Kim espèrent que leurs prédictions aideront les chercheurs à déterminer ce qu’ils devraient s’attendre à mesurer lorsqu’ils rencontreront l’insaisissable état QSI de flux π. Notamment, les signatures spectroscopiques qu’ils ont identifiées devraient être détectables aux résolutions expérimentales actuellement réalisables, elles pourraient donc potentiellement être observées prochainement.

En attendant, les chercheurs prévoient de s’appuyer sur leur récente étude pour recueillir des prévisions de plus en plus détaillées. Par exemple, ils aimeraient étudier comment les pics qu’ils ont prédits évolueraient à différentes températures et estimer à quelles températures ils disparaîtraient.

« Les développements futurs les plus excitants viendront sûrement du côté expérimental », a ajouté Desrochers. « La confirmation de la présence de ces pics offrirait une preuve très convaincante de la réalisation de ce nouvel état de la matière tant recherché. Il y a déjà quelques signes encourageants : travail récent sur Ce2Sn2O7 ont rapporté des mesures qui montrent des signes de trois pics d’intensité décroissante.

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