Un liquide de spin quantique 3D a été découvert à proximité d’un membre de la famille des langbeinites. La structure cristalline particulière du matériau et les interactions magnétiques qui en résultent induisent un comportement inhabituel qui peut être attribué à un îlot de liquidité. Une équipe internationale a fait cette découverte grâce à des expériences sur la source de neutrons ISIS et à une modélisation théorique sur un échantillon de nickel-langbeinite.
Lorsque les spins d’un réseau cristallin ne peuvent pas s’aligner pour atteindre ensemble une énergie minimale, on parle de frustration magnétique. Si cette frustration devient suffisamment importante, les spins continuent de fluctuer de manière désordonnée, même lorsque la température approche de zéro et que le matériau se comporte comme un liquide de spin quantique. Les liquides de spin quantiques (QSL) ont des propriétés remarquables, notamment des phénomènes topologiquement protégés, potentiellement utiles, par exemple, pour les futurs qubits particulièrement stables. Au départ, les liquides de spin quantiques étaient principalement étudiés dans des structures bidimensionnelles, mais le phénomène peut également se produire dans des structures 3D, bien que beaucoup moins fréquemment.
La recherche de la frustration
Une collaboration internationale vient de démontrer ce comportement dans une nouvelle classe de matériaux à structure 3D : les langbeinites sont des minéraux sulfatés, rarement trouvés dans la nature ; le remplacement d’un ou deux éléments dans la formule totale produit des variations qui appartiennent toutes à cette classe de matériaux.
Pour l’étude, des cristaux artificiels de langbeinite de formule moléculaire K2Ni2(SO4)3 ont été créés. L’élément magnétique nickel joue ici un rôle clé : les ions nickel forment deux réseaux dits trillium qui sont enchevêtrés l’un dans l’autre. Cela crée la frustration magnétique souhaitée, qui est encore renforcée par l’application d’un champ magnétique externe : les moments magnétiques des ions nickel ne peuvent pas tous s’aligner de manière énergétiquement favorable, mais fluctuent et forment un liquide de spin quantique.
Données et théorie sur les neutrons : une adéquation presque parfaite
L’équipe dirigée par Ivica Živković de l’EPFL a pu mesurer les fluctuations magnétiques de la source de neutrons britannique ISIS à Oxford. Les échantillons se comportent comme un liquide de spin quantique, non seulement à des températures extrêmement basses, mais même à une température « tiède » de 2 Kelvin.
L’équipe dirigée par le théoricien du HZB Johannes Reuther a pu expliquer les données mesurées à l’aide de plusieurs méthodes théoriques. « Notre diagramme de phase théorique identifie même un « îlot de liquidité » au centre d’un réseau de tétratrillium fortement frustré », explique Matias Gonzalez, premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral dans l’équipe de Reuther, qui a réalisé les simulations Monte Carlo. Le doctorant Vincent Noculak a calculé les interactions entre les spins à l’aide d’une méthode basée sur les diagrammes de Feynman que Reuther a développée il y a plusieurs années (pseudo-fermion function renormalisation group, PFFRG). La concordance entre les données mesurées et les résultats théoriques est étonnamment bonne. « Malgré ses interactions extrêmement complexes, nous pouvons très bien reproduire ce système », déclare Reuther.
Les candidats QSL à Langbeinites
Les langbeinites sont une classe de matériaux vaste et largement inexplorée. L’étude montre que la recherche de comportements quantiques peut être utile dans ce domaine. L’équipe dirigée par la physicienne Bella Lake du HZB a déjà synthétisé de nouveaux représentants de cette classe de matériaux, qui pourraient également être considérés comme des liquides de spin quantiques 3D. « Il s’agit encore de science purement fondamentale », souligne Johannes Reuther, « mais avec l’intérêt croissant pour de nouveaux types de matériaux quantiques, les matériaux langbeinites pourraient devenir intéressants pour des applications en information quantique. »
2024-08-23 21:27:37
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