Fig. 1 Différences entre les aimants ordinaires et les liquides de spin. A hautes températures, les spins - les petites boussoles de chaque électron non apparié dans les matériaux - fluctuent au hasard entre des orientations arbitraires dans les deux cas. (À gauche) Dans les états magnétiques conventionnels, l'ordre des spins s'alignant statiquement les uns par rapport aux autres, soit de manière parallèle soit antiparallèle en dessous d'une certaine température caractéristique. (À droite) Dans un liquide de spin quantique, les tours ne commandent jamais à aucune température, peu importe qu'il soit bas - ils continuent à fluctuer rapidement sans rupture de symétrie même à une température de zéro absolu (- 273 °C). Crédit :Kosmas Prassides
Les carburants tels que l'essence sont composés d'hydrocarbures, une famille de molécules entièrement constituées de carbone et d'hydrogène. Pigment et teinture, le charbon et le goudron sont également constitués d'hydrocarbures.
Ces communes, matériaux abondants, parfois même associé aux déchets, ne sont pas souvent considérés comme étant électroniquement ou magnétiquement intéressants. Mais une équipe de recherche internationale, dirigé par le professeur Kosmas Prassides de l'Université de Tohoku au Japon et le professeur Matthew J. Rosseinsky de l'Université de Liverpool au Royaume-Uni, a fait une découverte importante.
L'équipe a récemment découvert comment prendre de tels composants moléculaires d'hydrocarbures, les habiller d'électrons, chacun d'eux porte une petite boussole - un spin non apparié - et les emballe comme des biscuits dans une boîte pour créer un liquide de spin quantique - un état hypothétique de la matière longtemps recherché.
C'est en 1973 que l'existence des liquides de spin quantique a été proposée pour la première fois en théorie. Dans les aimants conventionnels, le mouvement des spins des électrons - les minuscules aimants - se fige en refroidissant lorsqu'ils s'alignent parallèlement ou antiparallèlement les uns aux autres (Fig. 1 à gauche). En revanche, les spins dans un liquide de spin quantique ne cessent de fluctuer, aléatoirement et fortement, même à la température la plus basse du zéro absolu. Chaque spin individuel pointe simultanément le long d'un nombre infini de directions et est fortement enchevêtré avec d'autres spins, même ceux qui sont éloignés (Fig. 1 à droite). En tant que tel, cette mer de spins électroniques devrait être l'hôte de nombreux phénomènes exotiques d'intérêt à la fois fondamental et technologique.
Fig. 2 Trois molécules d'hydrocarbures polyaromatiques étudiées dans ce travail. La molécule de phénanthrène (C14H10) est constituée de trois cycles benzéniques fusionnés en configuration fauteuil. Les molécules de picène et de pentacène (C22H14) sont constituées de cinq anneaux benzéniques fusionnés en configuration fauteuil et zigzag, respectivement. Les atomes de carbone et d'hydrogène sont de couleur grise et orange, respectivement. Crédit :Kosmas Prassides
Cependant, la réalisation expérimentale de cet état unique de la matière entièrement enchevêtrée est restée à ce jour inachevée. Malgré une recherche de quatre décennies, il existe très peu de candidats liquides de spin quantique. Les options actuelles comprennent certains minéraux inorganiques de cuivre et certains sels organiques, qui contiennent des rares, éléments lourds ou toxiques.
Dans les résultats publiés dans deux articles consécutifs le 24 avril dans la revue Chimie de la nature , l'équipe a mis au point la nouvelle chimie nécessaire pour fabriquer pour la première fois des matériaux cristallins de haute pureté à partir de la réaction d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (Fig. 2) avec des métaux alcalins.
Des matériaux obtenus à partir d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (molécules à nombreux noyaux aromatiques) ont été proposés dans le passé comme candidats de nouveaux supraconducteurs - des matériaux sans résistance électrique et capables de transporter l'électricité sans perdre d'énergie - dépourvus d'éléments toxiques ou rares. Cependant, la destruction des composants moléculaires dans les traitements de synthèse employés avait inhibé tout progrès dans ce domaine.
Fig. 3 Représentation schématique de la structure de l'hydrocarbure ionique découvert dans ce travail comme hôte d'un liquide de spin quantique. Le panneau de gauche montre les ions moléculaires, qui s'arrangent en chaînes de partage de sommets triangulaires. Le panneau de droite représente les tubes magnétiques en spirale coexistants. Les deux motifs structuraux s'imbriquent pour donner une architecture d'emballage complexe, comme le montre la projection dans le panneau central. Chaque ion moléculaire a un spin (indiqué par une flèche grise). Les spins fluctuent perpétuellement jusqu'à des températures basses. La figure montre l'un d'un nombre infini d'arrangements de spin enchevêtrés. Crédit :Kosmas Prassides
« Supprimer le barrage synthétique existant a conduit à des développements très intéressants, " dit le professeur Kosmas Prassides. " Nous avons déjà découvert que certaines des structures des nouveaux matériaux, entièrement constituées de carbone et d'hydrogène, la combinaison la plus simple possible - montrer des propriétés magnétiques sans précédent - comportement du liquide de spin (Fig. 3) - avec des applications potentielles dans la supraconductivité et l'informatique quantique.
« Il nous a fallu de nombreuses années de travail pour réaliser notre percée, " ajoute le professeur Matthew Rosseinsky. " Mais au final, nous avons réussi à n'en développer pas un, mais deux voies de chimie complémentaires, qui ouvrent la voie à une riche variété de nouveaux matériaux aux propriétés encore inconnues."
