Un état insaisissable de la matière - le liquide de spin quantique - peut en fait être amélioré plutôt que supprimé par le désordre comme on le voit dans un composé qui contient du praséodyme, zirconium, et l'oxygène (Pr2Zr2O7). Dans ce matériau, les ions praséodyme avec des moments magnétiques (flèches vertes sur l'image de droite) occupent un réseau de tétraèdres partageant des coins. La signature d'un liquide de spin quantique est la persistance de l'intensité de diffusion inélastique des neutrons pour w> 0 (gauche) proche du zéro absolu (température). La variation d'intensité avec l'augmentation du champ magnétique (de bas en haut) indique qu'un trouble faible peut empêcher le gel du spin et favoriser un état liquide de spin quantique. Crédit :Département américain de l'Énergie
On pense généralement que le désordre est préjudiciable à la création de matériaux avec un magnétisme inhabituel ou d'autres phénomènes quantiques. Cependant, une équipe a découvert qu'un trouble faible stabilise de manière surprenante un état quantique rare appelé liquide de spin quantique. Dans cet état, les fluctuations des spins électroniques persistent jusqu'à des températures proches du zéro absolu. Le matériau particulier est fait de praséodyme, zirconium, et l'oxygène (Pr2Zr2O7). Le matériau contient des ions de terres rares (Pr3+) avec un nombre pair d'électrons sur un réseau cristallin faiblement désordonné. Alors que le réseau cristallin contrecarre le magnétisme conventionnel, le trouble faible favorise l'état liquide de spin quantique rare.
La découverte qu'un trouble faible peut induire cet état rare ouvre une nouvelle direction dans la quête d'un liquide de spin quantique pratique. Cet état de la matière pourrait être utile comme blocs de construction pour les ordinateurs quantiques. Ces ordinateurs pourraient être des ordres de grandeur plus rapides que les ordinateurs d'aujourd'hui. Cette vitesse se traduit par une puissance de calcul pour résoudre des problèmes qui ne peuvent pas être résolus aujourd'hui.
Un état de la matière rare appelé liquide de spin quantique proposé il y a plus de 40 ans est recherché pour ses propriétés physiques uniques. Dans un liquide de spin quantique, les spins électroniques ne forment pas un motif ordonné statique comme dans les matériaux magnétiques conventionnels, mais fluctuent de manière coordonnée (enchevêtrée) même à des températures extrêmement basses. Mais de tels états fluctuants quantiques de la matière peuvent-ils exister dans des matériaux pratiques qui sont inévitablement désordonnés et des informations quantitatives à leur sujet peuvent-elles être extraites des expériences de diffusion de neutrons ?
Pour répondre à ces questions, une équipe de chercheurs dirigée par l'Université Johns Hopkins a étudié un oxyde de pyrochlore de formule chimique Pr2Zr2O7. Le magnétisme conventionnel est frustré par la géométrie du réseau de pyrochlore lorsque les ions magnétiques occupent un emplacement spécifique dans le réseau cristallin, ce qui peut conduire à des états magnétiques exotiques. Combinant la synthèse à l'état solide, croissance monocristalline de haute qualité, et la diffusion avancée des neutrons, cette recherche a dévoilé la présence d'un liquide de spin quantique dans Pr2Zr2O7.
Les données de diffusion inélastique des neutrons montrent la signature de cet état rare où une bande de (inélastique, avec> 0) l'intensité de diffusion persiste à des températures proches du zéro absolu. Cette recherche pointe vers un nouveau paradigme qui, à des niveaux appropriés, un faible désordre structurel peut en fait favoriser la formation d'un liquide de spin quantique avec des spins électroniques intriqués. Cette capacité à manipuler et à induire le magnétisme quantique malgré le désordre pourrait ouvrir la voie à de nouveaux matériaux plus pratiques avec le liquide de spin quantique insaisissable pour des applications telles que l'informatique quantique.
