Le spectromètre à spin du muon utilisé dans l'étude à l'Institut Paul Scherrer. L'échantillon à étudier est placé dans le cryostat situé au milieu, et un faisceau de muons est dirigé vers lui depuis l'arrière gauche. Crédit :Otto Mustonen
En 1987, Paul W. Anderson, lauréat du prix Nobel de physique, a proposé que la supraconductivité à haute température, ou perte de résistance électrique, est liée à un état quantique exotique maintenant connu sous le nom de liquide de spin quantique. Les matériaux magnétiques sont constitués de très petits aimants, qui peut être aussi petit que des électrons individuels. La force et la direction de celles-ci sont décrites par le moment magnétique. Dans les liquides de spin quantique, les moments magnétiques se comportent comme un liquide et ne gèlent ni ne s'ordonnent même au zéro absolu. Ces états quantiques sont étudiés en tant que matériaux prometteurs pour de nouveaux, les ordinateurs quantiques topologiques, dans lesquelles les opérations sont basées sur des états excités de type particule trouvés dans les liquides de spin quantique. En plus d'une grande puissance de calcul, un ordinateur quantique topologique se caractérise par une tolérance aux pannes élevée, ce qui permet d'augmenter la taille de l'ordinateur. Cependant, seuls quelques liquides de spin quantique adaptés aux ordinateurs quantiques topologiques ont été identifiés jusqu'à présent.
Maintenant, Pour la toute première fois, chercheurs de l'Université d'Aalto, Centre Brésilien de Recherche en Physique (CBPF), L'Université technique de Braunschweig et l'Université de Nagoya ont produit le liquide de spin quantique de type supraconducteur prédit par Anderson. C'est une étape importante vers la compréhension des supraconducteurs et des matériaux quantiques. La préparation d'un liquide de spin quantique a été rendue possible grâce à une nouvelle façon d'adapter les propriétés des matériaux magnétiques qui a été développée par des chimistes de l'Université Aalto. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Communication Nature .
Les supraconducteurs à haute température sont des oxydes de cuivre dans lesquels les ions de cuivre forment un réseau carré de sorte que les moments magnétiques adjacents se font face dans des directions opposées. Lorsque cette structure est perturbée en changeant l'état d'oxydation du cuivre, le matériau devient supraconducteur. Dans la nouvelle recherche maintenant publiée, les interactions magnétiques de cette structure carrée ont été modifiées avec des ions de structure électronique d10 et d0, qui a transformé le matériau en un liquide de spin quantique.
Le réseau carré magnétiquement ordonné d'ions de cuivre. L'adaptation de la structure a provoqué la formation d'un liquide de spin quantique. La modification de la structure d'une manière différente entraîne une supraconductivité à haute température. Crédit :Otto Mustonen
"À l'avenir, cette nouvelle méthode d10/d0 peut être utilisée dans de nombreux autres matériaux magnétiques, y compris divers matériaux quantiques, " déclare le doctorant Otto Mustonen de l'Université d'Aalto.
Coopération transparente
La détection empirique des liquides de spin quantique est difficile et nécessite une infrastructure de recherche étendue.
"Nous avons utilisé la spectroscopie de spin du muon dans cette étude. Cette méthode est basée sur l'interaction de très courte durée de vie, particules élémentaires de type électronique, connu sous le nom de muons, avec le matériau étudié. La méthode peut détecter des champs magnétiques très faibles dans les matériaux quantiques, " explique le professeur F. Jochen Litterst de l'Université technique de Brunswick. Les mesures ont été effectuées à l'Institut Paul Scherrer en Suisse.
« En plus d'un équipement de premier ordre, la recherche nécessite une coopération transparente entre chimistes et physiciens, " explique le professeur Maarit Karppinen. " Nous aurons besoin de la même approche multidisciplinaire internationale à l'avenir pour que cette recherche sur les liquides de spin quantique puisse nous conduire à la réalisation expérimentale de l'ordinateur quantique topologique. "
