ThALES. Crédit :R. Cubitt, MALADE
Dans la physique moderne du siècle dernier, comprendre les propriétés électroniques et les interactions entre les électrons à l'intérieur de la matière a été un défi majeur. Les électrons sont responsables de la liaison chimique entre les atomes et presque tous les facteurs qui caractérisent un morceau de matière, comme la couleur, transport de chaleur, conductivité et magnétisme. Une propriété élémentaire des électrons est le spin, et la combinaison de spins électroniques au niveau atomique peut induire un moment magnétique sur certains atomes, qui constituent la matière. Ces moments peuvent s'ajouter aux forces magnétiques macroscopiques.
Comme le magnétisme est l'empreinte du comportement interactif des électrons, l'étudier au niveau atomique nous renseigne sur le comportement électronique collectif dans l'environnement atomique. Cela peut expliquer les propriétés électroniques observées macroscopiquement, comme la dépendance à la température de la conductivité.
Au niveau atomique, les ions magnétiques sont étroitement emballés et s'influencent donc mutuellement, résultant en l'adoption d'un ordre magnétique commun pour minimiser leur bilan énergétique. Une légère perturbation conduit à une onde de spin, où une oscillation d'un moment magnétique autour de son axe central induit des perturbations oscillantes avec un léger déphasage sur les voisins atomiques. Les ondes de spin sont observées en routine dans les matériaux magnétiques ordonnés par diffusion inélastique des neutrons (INS) sur les spectromètres de l'Institut Laue-Langevin (ILL).
Passer d'un monde classique à un monde magnétique quantique
Le moment magnétique est caractérisé par son nombre de spin. Plus le nombre de tours est grand, plus il est approprié de comparer le moment magnétique atomique avec un aimant classique. Abaisser le spin, c'est accentuer ses propriétés quantiques; explorer la transition vers le monde quantique, qui est fondamentalement différent du quotidien, monde macroscopique, est l'un des défis les plus passionnants de la physique du solide.
L'exemple le plus cité est le spin -1/2 moments placés dans le coin d'un triangle équidistant. En raison de sa nature quantique, un spin ne peut pointer que vers le haut ou vers le bas par rapport à son axe local. Un échange magnétique entre les moments de spin, qui est de nature antiferromagnétique, les oblige à s'aligner de manière antiparallèle. Comme un aimant quantique ne peut pas commander, plutôt que d'adopter un état fondamental, plusieurs états sont également probables (6 dans le cas du triangle), et les spins sont dans un état superpositionné pointant dans plusieurs directions à la fois.
La combinaison de triangles équidistants conduit à un réseau bidimensionnel de spins. Son état fondamental, c'est-à-dire l'agencement de spin avec le coût énergétique le plus bas possible, a défié les théoriciens pendant des décennies. En 1973, noble lauréat P.W. Anderson a proposé un soi-disant « état liquide de spin quantique, ' qui est conceptuellement complètement différent des phases magnétiques ordonnées. Anderson a soutenu que pour un système triangulaire, il est énergétiquement plus favorable aux spins de s'organiser en obligations. Dans ces liaisons de valence, les électrons sont "intriqués" de manière quantique, ' un état purement quantique. Une superposition d'une variété de motifs de liaisons existe en parallèle et les liaisons fluctuent en raison d'un principe de mécanique quantique, qui impose des mouvements de point zéro aux particules. Cet état est appelé état de liaison à valence résonante (RVB).
La diffusion des neutrons fournit une preuve expérimentale de l'état RVB
Ici à l'ILL, deux spectromètres froids à trois axes, IN14 et IN12, contribué pendant des décennies à la découverte et à l'éclaircissement des corrélations magnétiques dans les supraconducteurs classiques et non conventionnels, cristaux multiferroïques et une large gamme de cristaux de faible dimension, systèmes magnétiques frustrés et quantiques. Comme les deux instruments dataient des années 1980, ils avaient besoin d'une rénovation complète pour pouvoir continuer à contribuer au progrès scientifique dans ces domaines. Le déménagement et la rénovation du nouveau spectromètre IN12 ont été achevés en 2012, et d'ici fin 2014, le spectromètre IN14 a été remplacé par son successeur, ThALES.
ThALES, Instrument à trois axes pour la spectroscopie à basse énergie, est un spectromètre à trois axes à neutrons froids de nouvelle génération qui s'appuie sur les points forts de son prédécesseur, IN14, mais utilise une optique neutronique de pointe. Le projet ThALES est une collaboration entre l'ILL et l'Université Charles, Prague, et est financé par le ministère tchèque de la Science et de l'Éducation.
Après avoir remplacé l'IN14, ThALES est devenu la nouvelle référence pour la spectroscopie de neutrons sur monocristal froid à une source de neutrons en régime permanent comme le réacteur ILL. ThALES a été entièrement optimisé pour traiter la physique des systèmes électroniques hautement corrélés et les problèmes scientifiques dans le domaine du magnétisme quantique. De plus, la flexibilité du spectromètre a été améliorée grâce à la mise en œuvre de divers éléments optiques.
Les principaux objectifs de ThALES sont :
ThALES a été utilisé pour effectuer des mesures de l'INS dans une étude récente menée par une collaboration de scientifiques, dont Martin Boehm de l'ILL, coordinateur actuel du réseau de neutrons financé par l'UE SINE2020. L'étude publiée dans Nature, intitulé 'Evidence for a spinon Fermi surface in a triangular treillis quantum-spin-liquid candidat, ' a fait valoir que l'antiferromagnétique à réseau triangulaire YbMgGaO4 a l'état fondamental RVB liquide de spin quantique recherché depuis longtemps. Cette étude a été la première à utiliser la diffusion de neutrons comme moyen de fournir une preuve expérimentale de l'état RVB.
L'effort expérimental pour découvrir l'état fondamental de RVB a considérablement augmenté depuis P.W. Anderson a suggéré que cela pourrait expliquer le phénomène de supraconductivité dans une classe de matériaux qui présentent des températures de transition particulièrement élevées entre un état conducteur et supraconducteur normal. Cependant, fournir une preuve expérimentale de l'existence de l'état RVB est très difficile, car alors qu'un système magnétiquement ordonné a une réponse expérimentale claire, l'état RVB est caractérisé par l'absence de grandeur mesurable.
En raison de l'absence d'une quantité mesurable, l'approche expérimentale de cette étude, en utilisant ThALES, sélectionné une preuve expérimentale indirecte en excitant délibérément l'état fondamental avec des neutrons et en mesurant la réponse dynamique. Selon les attentes théoriques, le liquide de spin excité se comporte 'exotiquement, ' ce qui signifie que l'état excité est expliqué par des spinons aux propriétés très inhabituelles. Les spinons peuvent réorganiser la distribution des liaisons de valence et se déplacer dans le plan triangulaire avec une quantité minimale d'énergie.
Dans un processus de diffusion entre le neutron et le liquide de spin, la loi de conservation de la quantité de mouvement totale impose la création de deux spinons spin-1/2 dans le liquide. Cette paire de spinons se déplace dans des directions opposées avec une quantité totale d'énergie égale à la perte d'énergie des neutrons dans le processus de diffusion. A l'aide du spectromètre ThALES, il est possible de tracer la direction et les énergies des spinons en mesurant la direction et l'énergie du neutron qui a créé la paire de spinons. De cette façon, cette étude a tracé un paysage dynamique complet du liquide quantique de spin dans le plan triangulaire, et comparé les mesures avec les prédictions théoriques, qui a donné des preuves solides de l'existence de la phase liquide de spin dans YbMgGaO4.
Cette recherche est importante car un état liquide de spin quantique de la matière est potentiellement pertinent pour les applications de l'information quantique. De plus, l'identification expérimentale d'un état liquide de spin quantique contribue grandement à notre compréhension de la matière quantique.
