Les physiciens ont identifié un nouvel état de la matière dont l'ordre structurel fonctionne selon des règles plus alignées avec la mécanique quantique que la théorie thermodynamique standard. Dans un matériau classique appelé glace de spin artificielle, qui dans certaines phases apparaît désordonnée, le matériel est effectivement commandé, mais sous une forme "topologique".

"Nos recherches montrent pour la première fois que des systèmes classiques tels que la glace de spin artificielle peuvent être conçus pour démontrer des phases ordonnées topologiques, qui auparavant n'ont été trouvés que dans des conditions quantiques, " a déclaré Cristiano Nisoli, physicien du Laboratoire national de Los Alamos, chef du groupe théorique qui a collaboré avec un groupe expérimental à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, dirigé par Peter Schiffer (maintenant à l'Université de Yale).

Les physiciens classent généralement les phases de la matière comme ordonnées, comme le cristal, et désordonné, comme les gaz, et ils le font sur la base de la symétrie d'un tel ordre, dit Nisoli.

"La démonstration que ces effets topologiques peuvent être conçus dans un système de glace de spin artificielle ouvre la porte à un large éventail de nouvelles études possibles, " a déclaré Schiffer.

Le matériel spécialisé a maintenu des niveaux d'énergie déroutants dans les expériences

Dans la nouvelle recherche, l'équipe a exploré une géométrie de glace de spin artificielle particulière, appelé Shakti spin ice. Bien que ces matériaux soient théoriquement conçus, cette fois, la découverte de son exotique, les propriétés hors d'équilibre sont passées des expériences à la théorie.

Réalisation de la caractérisation par microscopie électronique à photoémission à la source lumineuse avancée du département de l'Énergie des États-Unis au Lawrence Berkeley National Laboratory, L'équipe de Schiffer a révélé quelque chose d'étonnant :contrairement à d'autres glaces artificielles, qui pouvaient atteindre leur état de basse énergie lorsque la température était réduite dans des trempes successives, Shakti spin ice est resté obstinément à peu près au même niveau d'énergie. "Le système se bloque d'une manière qu'il ne peut pas se réorganiser, même si un réarrangement à grande échelle lui permettrait de tomber à un état énergétique inférieur, " a déclaré Schiffer.

Clairement, quelque chose se conservait, mais rien n'est apparu comme un candidat évident dans un matériau artificiellement conçu pour fournir une image de spin désordonnée.

Faire marche arrière pour voir la situation dans son ensemble

S'éloignant d'une image de spin et se concentrant sur une description émergente des excitations du système, Nisoli a décrit un état de basse énergie qui pourrait être mappé exactement dans un modèle théorique célèbre, le "modèle de couverture dimère, " dont les propriétés topologiques avaient été reconnues auparavant. Ensuite, les données de l'expérience ont confirmé la conservation de la charge topologique et donc une longue durée de vie des excitations.

"Je trouve cela le plus intrigant parce que généralement les cadres théoriques passent de la physique classique à la physique quantique. Ce n'est pas le cas avec l'ordre topologique, ", a déclaré Nisoli.

Succès collaboratif

Des expériences physiques ont été réalisées par l'équipe de Schiffer à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et ont été financées par l'Office of Science du département américain de l'Énergie. La cinétique du matériau a été étudiée en temps réel et dans l'espace réel à la source lumineuse avancée.