Données de diffusion inélastique des neutrons de l'instrument Pelican à 1,5 K (a) et 4,0 K (b). L'écart de spin est évident (bande bleue inférieure ) à 1,5 K (a) . Crédit :Organisation australienne pour la science et la technologie nucléaires (ANSTO)
Les techniques nucléaires de l'ANSTO ont permis de confirmer un phénomène de spin quantique, une phase Haldane, dans un matériau magnétique, qui a le potentiel d'être utilisé comme modèle de mesure pour le calcul quantique.
Bien qu'il y ait eu des preuves expérimentales de la phase Haldane dans d'autres types de matériaux antiferromagnétiques unidimensionnels, on pense qu'il s'agit de la première preuve dans un matériau basé sur des grappes.
"Le spectre de neutrons de Pelican a fourni les données mêmes qui ont confirmé l'existence de l'état Haldane dans la fedotovite, comme proposé par nos autres mesures et études théoriques. Les données de neutrons ont montré à la fois l'écart de spin et la dispersion, qui sont des caractéristiques de l'état Haldane, " a déclaré l'auteur principal A/Prof Masayoshi Fujihara de l'Université des sciences de Tokyo.
Dans un article publié dans Lettres d'examen physique en tant que « suggestion des éditeurs », une large collaboration de chercheurs, dirigé par des physiciens du Japon, Les scientifiques des instruments ANSTO Drs Richard Mole, Dehong Yu et Shinichiro Yano du National Synchrotron Radiation Research Center de Taïwan (qui exploite l'instrument taïwanais Sika à l'ANSTO), ont partagé des preuves expérimentales de la phase Haldane dans la fedotovite.
Le cadre de cet état inhabituel de la matière a été prédit par le professeur Duncan Haldane, qui a partagé le prix Nobel de physique pour le développement des « phases topologiques de la théorie de la matière » avec David Thouless et Michael Kosterlitz en 2016.
Systèmes de spin quasi unidimensionnels, comme la fétovite K
Le S=1 se produit car il y a un nombre pair de S=1/2 sur les ions magnétiques Cu2+ aux extrémités de la chaîne de spin, comme prédit par Haldane.
"Les chaînes quasi-unidimensionnelles telles que la fedotovite n'ont pas un seul spin mais un groupe de spins formant un amas. Un amas d'atomes interagit alors faiblement avec l'amas d'atomes voisin, " dit Mole.
Structure cristalline de K
Le couplage magnétique se produit en raison des interactions de super échange entre les amas de spins et d'un petit couplage antiferromagnétique au sein de l'amas.
"Ce comportement béant est observable dans le spectre du Pélican, qui est très sensible aux interactions magnétiques faibles, " dit Mole.
La fedotovite a un arrangement unique d'ions magnétiques et un comportement magnétique à deux étages.
La diffusion inélastique des neutrons sur le spectromètre à temps de vol Pelican a capturé l'écart de spin à 1,5 K avec une magnitude de 0,6. meV qui se ferme à 4,0 K. Les mesures étaient en accord avec les prédictions théoriques.
"On parle de très petites quantités d'énergie mais l'écart est réel, " dit Yu.
"L'état Haldane apparaîtra chaque fois que le nombre de tétraèdres dans la chaîne d'amas de spin est pair mais pas impair, comme le prédisent nos calculs théoriques dans cet article, " dit Yano.
La structure cristalline du minéral fedotovite a été déterminée à l'origine par des scientifiques russes dans les années 1990, Cependant, les travaux actuels ont utilisé une méthode synthétique nouvellement développée dans le laboratoire Fujiahala de l'Université des sciences de Tokyo.
Il a permis de fabriquer de grandes quantités d'échantillons de haute pureté, ce qui était essentiel pour les expériences de diffusion de neutrons.
La structure cristalline a été déterminée par diffraction des rayons X à la Photon Factory, Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK) au Japon.
