Alexeï Tsvelik, un physicien théoricien au Brookhaven Lab, utilise ses mains pour démontrer deux arrangements chiraux différents des moments magnétiques de trois électrons voisins. Cette idée de chiralité, ou de la bravoure, est également utilisé pour décrire les orientations en image miroir des atomes dans les molécules, comme indiqué sur l'écran d'ordinateur de Tsvelik. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
En explorant la structure et les propriétés de la matière à des niveaux toujours plus profonds, les scientifiques ont découvert de nombreux nouveaux matériaux exotiques, y compris les supraconducteurs qui transportent du courant électrique sans résistance, cristaux liquides qui s'alignent pour produire des affichages dynamiques brillants, et des matériaux présentant diverses formes de magnétisme. Pourtant, certaines formes exotiques de la matière n'existent qu'en théorie, prédites par les scientifiques sur la base de ce qu'ils ont appris à ces niveaux plus profonds. Maintenant, une paire de physiciens fournit une feuille de route théorique qui pourrait pointer vers la découverte d'un tel état magnétiquement ordonné exotique, surnommé un "liquide de spin chiral".
"Cette forme de matière a été suggérée pour la première fois il y a environ 30 ans comme un type particulier d'ordre magnétique sans direction globale définie des moments magnétiques, " a déclaré Alexeï Tsvelik, un théoricien au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie. "Mais sa découverte est restée une chimère, jusqu'à maintenant."
Dans un nouvel article accepté comme suggestion des rédacteurs par le journal Lettres d'examen physique , Tsvelik et son co-auteur Oleg Yevtushenko de l'Université Ludwig Maximilian en Allemagne décrivent les exigences générales qu'un tel système magnétique devrait satisfaire. Ils donnent également des suggestions particulières sur où et comment rechercher des exemples réels de liquides de spin chiraux.
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Pour un exemple simple de la façon dont les propriétés de la matière émergent de "l'ordre" parmi ses blocs de construction, pensez à la façon dont la température influence l'arrangement des molécules d'eau. Vous obtenez des propriétés radicalement différentes selon que les molécules sont libres de se déplacer sous forme de vapeur, refroidi pour s'écouler collectivement sous forme de liquide, ou verrouillé dans des positions fixes dans un solide cristal de glace.
« Dans ce cas simple, l'ordre cristallin est visible à l'œil nu, " dit Tsvelik. " Mais les physiciens sont toujours à la recherche de quelque chose de plus subtil et sophistiqué, " comme l'ordre dans les orientations des moments magnétiques des électrons.
Les électrons ont une propriété appelée spin, quelque peu analogue à la rotation d'un haut de jouet. L'axe de rotation détermine la direction de la rotation, et fait que les électrons individuels agissent comme de minuscules aimants. Dans un matériau comme le fer, lorsque les directions des moments magnétiques microscopiques des électrons sont alignées, vous obtenez un magnétisme à l'échelle macroscopique.
Le pouce et les deux premiers doigts des mains de Tsvelik montrent les orientations relatives de trois électrons proches dont les moments magnétiques pointent à angle droit les uns par rapport aux autres, comme le x, oui, axes z sur un graphique 3-D. Dans un "liquide de spin chiral, " les physiciens s'attendraient à trouver un tel ordre local parmi les moments magnétiques des électrons, et un seul des deux arrangements chiraux possibles, sans ordre global défini. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Dans un liquide de spin chiral, cependant, les scientifiques ne recherchent pas un tel ordre magnétique à longue portée. Au lieu de cela, ils recherchent un type particulier d'ordre magnétique local parmi des groupes de trois électrons voisins.
"Ce que nous voulons, c'est un arrangement où trois moments magnétiques voisins forment une triade avec leurs orientations fixes les uns par rapport aux autres, mais il n'y a pas d'orientation globale, " a déclaré Tsvelik. Il utilise sa main droite pour démontrer les orientations relatives, avec son pouce et son index formant un L et son majeur pointant droit hors de sa paume, tous à angle droit les uns par rapport aux autres, comme le x, oui, axes z sur un graphique en trois dimensions.
L'utilisation d'une main est un accessoire approprié car elle démontre facilement qu'un arrangement en miroir peut être obtenu en utilisant la main gauche au lieu de la droite. Ces deux arrangements différents sont des exemples de chiralité positive et négative, un mot que les physiciens et les chimistes utilisent pour décrire la "maniabilité" des structures tridimensionnelles. Une fois commandé, le liquide de spin choisit spontanément une chiralité particulière, dit Tsvelik.
Sur la base de leur compréhension des propriétés des matériaux, les scientifiques ont prédit quelles propriétés devraient avoir les liquides de spin chiraux avec de tels arrangements, puis ont utilisé des calculs théoriques pour étayer leurs idées. L'article inclut même la formule chimique d'un matériau particulier qu'ils aimeraient que les chercheurs expérimentaux explorent.
En substance, Tsvelik a dit, le matériau doit être un métal en couches, où les spins sont situés dans des couches bien séparées et où les moments magnétiques localisés peuvent coexister avec des électrons de conduction. Il doit également répondre fortement à un champ magnétique non uniforme avec une périodicité particulière, semblable à la façon dont les vibrations externes de la voix d'un chanteur d'opéra peuvent briser un verre qui vibre à la même fréquence de résonance que la note. Mais ne vous attendez pas à ce que le métal se brise, dit Tsvelik.
À quoi pouvons-nous nous attendre si un tel liquide de spin chiral est découvert ? Tsvelik n'a pas de prédictions spécifiques.
"Si vous regardez l'histoire de la science - de la découverte de la mécanique à l'électron à la division de l'atome - elle n'a jamais été motivée par des applications. Plusieurs fois, des applications finissent par émerger, même géants, comme celles qui ont déclenché la révolution industrielle, qui est né des découvertes de Newton. Mais ce n'est pas ce qui motive la science, " il a dit.
