Liquides de spin en 3D: découverte de nouveaux matériaux quantiques

Dans le monde de la physique quantique, certains matériaux se comportent d'une manière qui défie notre compréhension classique du magnétisme. C'est le cas par exemple des liquides de spin quantique (QSL), des états exotiques de la matière dans lesquels les moments magnétiques - ou "spins" - restent dans un état fluide même à une température de zéro absolu, contrairement aux aimants conventionnels qui se figent en une structure rigide. Les QSL conservent également un degré élevé d'enchevêtrement quantique, ce qui donne lieu à des phénomènes fascinants tels que les excitations fractionnaires et l'enchevêtrement quantique à longue portée.

Alors que les QSL ont été largement étudiés dans des systèmes bidimensionnels, il est très difficile de le faire en trois dimensions, car la dimensionnalité supérieure tend à supprimer les fluctuations quantiques nécessaires au maintien d'un état liquide. Malgré cela, les scientifiques sont à la recherche de matériaux tridimensionnels susceptibles d'accueillir des QSL, car ils pourraient ouvrir de nouvelles frontières à l'informatique quantique et à d'autres technologies de pointe.

L'un des principaux candidats est le sulfate de potassium et de nickel (K₂ Ni₂ (SO )₄₃ ), un matériau cristallin de la famille des langbeinites, connu pour ses structures cristallines complexes qui lui confèrent des propriétés magnétiques exotiques.

Ce qui distingue le K₂ Ni₂ (SO )₄₃ , c'est sa structure complexe, composée de deux treillis de trilles interconnectés, un type de structure cristalline tridimensionnelle composée d'unités triangulaires imbriquées qui créent un réseau de tétraèdres à coins partagés. Bien que le matériau finisse par développer un état magnétique faiblement ordonné à très basse température, son comportement magnétique dynamique suggère qu'il est sur le point d'entrer dans une phase QSL, ce qui en fait un sujet d'étude précieux pour comprendre l'équilibre délicat entre l'ordre et le chaos quantique.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'EPFL, du Helmholtz-Zentrum Berlin et de la Freie Universität Berlin ont combiné des techniques expérimentales et théoriques pour approfondir les propriétés uniques du K₂ Ni₂ (SO )₄₃ . Leurs résultats révèlent que le matériau est régi par un réseau complexe d'interactions magnétiques qui le placent à un niveau très proche d'une phase QSL

La recherche a été menée par Ivica Živković du Laboratoire de magnétisme quantique de l'EPFL.

Les chercheurs ont utilisé une approche à multiples facettes pour étudier le K₂ Ni₂ (SO )₄₃ . Ils ont commencé par des expériences de diffusion inélastique des neutrons, une technique puissante qui permet aux scientifiques de sonder le comportement dynamique des spins dans un matériau. En bombardant le matériau avec des neutrons et en analysant leur diffusion, les chercheurs ont pu déduire la structure et la dynamique magnétiques sous-jacentes.

Ils ont ensuite comparé leurs données expérimentales à des modèles théoriques dérivés de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et de méthodes de calcul avancées telles que le groupe de renormalisation fonctionnelle des pseudo-fermions (PFFRG) et les simulations classiques de Monte Carlo. Ces techniques ont permis à l'équipe de simuler les interactions magnétiques au sein du K₂ Ni₂ (SO )₄₃ et d'explorer dans quelle mesure il est proche d'un état liquide de spin.

L'étude a révélé que le K₂ Ni₂ (SO )₄₃ présente un état magnétique très dynamique, même à des températures où l'on s'attendrait à ce que l'ordre magnétique conventionnel domine. Cet état se caractérise par la "congélation" d'une petite fraction seulement de l'entropie magnétique disponible, ce qui est une caractéristique du comportement des liquides de spin - comme si le liquide de spin quantique était recouvert d'une couche gelée. De plus, l'application d'un champ magnétique renforce cet état dynamique, poussant le matériau plus loin vers une phase QSL complète.

Les chercheurs ont cherché l'origine de cette dynamique dans le nouvel arrangement des moments magnétiques, caractérisé par un réseau de tétraèdres en trillium. Ils ont constaté qu'il ressemble étroitement à un modèle théorique connu pour soutenir le comportement des liquides de spin, ce qui suggère que les propriétés du matériau sont régies par sa proximité avec ce point critique quantique.

Ces résultats ont des implications importantes pour le domaine des matériaux quantiques. En démontrant que K₂ Ni₂ (SO )₄₃ est proche d'une phase QSL, l'étude ouvre de nouvelles voies pour explorer comment les fluctuations quantiques peuvent stabiliser des états exotiques de la matière en trois dimensions. Cela pourrait conduire à la découverte de nouveaux matériaux présentant des propriétés similaires, ce qui permettrait de faire progresser les technologies reposant sur le traitement quantique de l'information.

Autres contributeurs

• Installation de croissance de cristaux de l'EPFL
• STFC Laboratoire Rutherford Appleton
• Université d'Okayama
• Institut indien de technologie de Madras