Un peu de frustration peut rendre la vie intéressante. C'est certainement le cas en physique, où la présence de forces concurrentes qui ne peuvent pas être satisfaites en même temps – connues sous le nom de frustration – peut conduire à des propriétés matérielles rares. Tout comme les molécules d'eau deviennent plus ordonnées lorsqu'elles refroidissent et gèlent en cristaux de glace, les atomes des aimants deviennent plus ordonnés avec la diminution de la température alors que les minuscules champs magnétiques ou « spins » des atomes individuels commencent à pointer dans la même direction. Les "liquides d'essorage" font exception à cette règle, avec des spins continuant à fluctuer et pointer dans des directions différentes même à des températures très basses. Ils offrent des possibilités passionnantes pour de nouvelles découvertes en physique. Des scientifiques de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont modélisé un liquide de spin particulier, montrant que le désordre peut coexister avec l'ordre. Trois publications majeures marquent les jalons de ce domaine de recherche.

D'abord, Le Dr Ludovic Jaubert de l'unité Théorie de la matière quantique de l'OIST a travaillé aux côtés de scientifiques de l'University College London et de l'Ecole Normale Supérieure de Lyon pour proposer un modèle de coexistence de l'ordre magnétique et du désordre en 2014. En simulant ce qui se passerait quand les neutrons sont tirés sur des aimants frustrés - ainsi nommés en raison de la forte compétition de forces entre les spins des atomes individuels - Jaubert et ses collègues ont pu produire des cartes de diffusion des neutrons aux couleurs vives. Si les spins dans les atomes du matériau s'alignaient de manière ordonnée dans l'aimant, vous vous attendriez à voir des taches sur les cartes connues sous le nom de « pics de Bragg », alors qu'avec les liquides de rotation, vous vous attendriez à voir des formes de nœud papillon, appelés « points de pincement ». A leur grande surprise, les scientifiques ont remarqué à la fois des pics de Bragg et des points de pincement sur leurs cartes de diffusion des neutrons, suggérant que les propriétés désordonnées d'un liquide de spin peuvent exister simultanément avec un magnétisme ordonné.

"Les liquides de spin sont des modèles de désordre magnétique. C'était très excitant de voir les caractéristiques d'un liquide de spin dans un aimant partiellement ordonné. C'est vraiment motivant de penser aux opportunités fondamentales que cela offre pour notre compréhension de la matière condensée, " dit Jaubert.

Le deuxième jalon dans ce domaine de recherche a eu lieu plus tôt cette année, lorsqu'une publication dans Nature Physics a montré que la théorie du Dr Jaubert et de ses collègues tenait bon dans l'observation expérimentale, en utilisant le matériau magnétique zirconate de néodyme (Nd2Zr2O7). "Les résultats de cette expérience confirment la théorie que le Dr Jaubert a présentée sur la coexistence de l'ordre et du désordre magnétiques en 2014, " dit le Dr Owen Benton, un ancien chercheur postdoctoral dans l'unité Théorie de la matière quantique, dirigé par le professeur Nic Shannon.

Cependant, plus de travail était nécessaire pour lier cette nouvelle expérience à l'idée originale de Jaubert. Pour découvrir comment le zirconate de néodyme peut être à la fois ordonné et désordonné, Benton s'est mis au travail sur le dernier jalon de cette recherche, théoriser un modèle microscopique approprié pour ce matériau magnétique. En utilisant son modèle, Benton a montré que le zirconate de néodyme existe à la fois dans un état ordonné et fluctuant, ce qui en fait un type d'aimant très inhabituel.

Les travaux montrent également que le zirconate de néodyme est sur le point de devenir un liquide de spin quantique – un état rare de la matière ouvrant une porte dérobée vers le monde quantique. Dans un vrai liquide de spin quantique, les spins d'un matériau ne se contenteraient pas de fluctuer dans de nombreuses directions différentes en fonction du temps, mais pointeraient dans de nombreuses directions différentes en même temps.

"Si vous pouviez montrer qu'il existe une chose telle qu'un liquide de spin quantique, ce serait comme un exemple du chat de Schrödinger sur un grand objet, " dit Benton. Le chat de Schrödinger est une célèbre expérience de pensée en physique dans laquelle un chat dans une boîte scellée avec une source radioactive est à la fois vivant et mort. Tout comme le chat existe dans plusieurs états, c'est-à-dire vivant et mort, simultanément, cette recherche ouvre la voie à la découverte de véritables aimants qui se trouvent dans de nombreux états à la fois.

"Cette étude démontre également que nous pouvons obtenir une image très complète de la physique du zirconate de néodyme à l'aide d'un modèle, " dit Benton. D'autres recherches théoriques et expérimentales sur ce matériau et sur des matériaux connexes pourraient révéler des phénomènes encore plus inattendus et passionnants.