Dans un ouvrage publié dans Lettres d'examen physique , des scientifiques de RIKEN au Japon ont découvert de nouvelles propriétés magnétiques intéressantes d'un type de matériau connu sous le nom de « glace de spin quantique ». Ces matériaux présentent des propriétés intéressantes car ils se comportent comme des « aimants frustrés », des systèmes qui peuvent s'installer dans divers états magnétiques en raison de leur géométrie particulière. Une propriété importante de ces matériaux est qu'ils ont des monopôles virtuels - des particules qui sont soit au nord ou au sud mais pas comme des aimants typiques, qui ont invariablement à la fois un pôle nord et un pôle sud confinés ensemble.
A l'aide de simulations numériques, le groupe a montré comment un champ magnétique pouvait être utilisé pour contrôler les propriétés des pôles nord et sud, qui sont fractionnés à partir des moments magnétiques des électrons, sur un aimant frustré appelé glace de spin quantique.
Le groupe a d'abord proposé un modèle pour la glace de spin quantique – la glace de spin basée sur les propriétés quantiques – en 2010 afin de décrire les propriétés magnétiques à basse énergie des pyrochlores magnétiques de terres rares – un type de minéral qui présente des propriétés physiques intéressantes. En 2012, des expériences ont montré que ce modèle était valide. Ce système comprend un état liquide de spin quantique où les spins - la propriété des électrons qui conduisent aux propriétés magnétiques - sont empêchés de s'ordonner et de se figer par le mouvement du point zéro, un type de mouvement autorisé même à température nulle en mécanique quantique, de leurs monopoles. Les charges monopolistiques étant soumises à une loi de conservation, le mouvement des pôles nord et sud affecte directement la direction des moments magnétiques dans le système. En outre, les charges électriques ne sont pas portées par ces monopôles, et ainsi le courant monopôle n'est pas accompagné d'un courant électrique qui conduirait à une grande perte d'énergie par la chaleur Joule. "À cause de ce, " dit Shigeki Onoda, le chef de groupe, "Le courant de monopole offre un moyen potentiellement efficace de contrôler les aimants sans perte."
A travers ce travail, les chercheurs ont révélé qu'il y a des transitions successives à partir de l'état liquide de spin quantique si un champ magnétique est appliqué dans une direction spéciale le long de laquelle des couches de réseau kagome et des couches de réseau triangulaire sont empilées les unes sur les autres. D'abord, l'aimantation du système monte progressivement jusqu'à une valeur des deux tiers de la valeur maximale à l'état liquide de spin quantique, et reste ensuite à ce niveau dans une plage finie de l'intensité du champ, que l'on appelle le plateau de magnétisation 2/3. Dans cet état de plateau, les mouvements de point zéro des monopôles sont spatialement confinés et localisés, et donc cet état ne peut pas héberger un courant monopôle cohérent. Cependant, à mesure que la force du champ magnétique augmente, l'aimantation du matériau finit par recommencer à augmenter et concomitamment, les charges monopôles deviennent disproportionnées et montrent une superfluidité. C'est un analogue magnétique d'un supersolide dans l'hélium 4, où les atomes présentent à la fois une distribution spatiale non uniforme et une superfluidité, qui supporte un courant sans frottement et donc sans dissipation, à très basse température. La phase supersolide monopôle survit jusqu'à ce que l'aimantation sature à la valeur maximale.
Selon Onoda, "Nos travaux indiquent que la conductivité associée au courant monopôle peut être considérablement contrôlée en appliquant un champ magnétique à la glace de spin quantique et qu'il est possible d'héberger un courant monopôle sans dissipation dans la phase supersolide monopôle. Nos résultats peuvent également ouvrir une nouvelle voie vers le contrôle efficace du magnétisme pour une gamme d'applications potentielles telles que les dispositifs de mémoire."
