Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse, Romain Sibille et Nicolas Gauthier, étudient un échantillon fascinant utilisant des neutrons à la source de neutrons de spallation (SNS) du ministère de l'Énergie (DOE) au laboratoire national d'Oak Ridge.

Leur objectif est de créer un cas observable de glace de spin quantique, un état magnétique bizarre trouvé dans une classe spéciale de matériaux qui pourrait conduire à des avancées dans les technologies de l'informatique quantique.

"Nous étudions principalement les oxydes, qui comprennent des éléments magnétiques de terres rares, " dit Sibille. " Tout de suite, nous étudions un échantillon candidat à une phase magnétique qui, jusque là, a été difficile à observer :glace de spin quantique. Nous espérons trouver cela et le démontrer avec les nouvelles capacités de l'instrument HYSPEC de SNS utilisant la polarisation et le supermiroir du PSI."

En 2015, HYSPEC, ligne de lumière SNS 14B, a reçu un nouveau réseau de supermiroirs polarisants grand angle construit par des scientifiques et des ingénieurs du PSI. Le nouveau supermiroir permet aux utilisateurs d'effectuer une analyse de polarisation tridimensionnelle des excitations neutroniques.

Les études sur le magnétisme frustré utilisant la diffusion de neutrons continuent de gagner en popularité parmi les scientifiques, disent les chercheurs, en grande partie à cause de la possibilité de trouver ces états quantiques uniques. La glace de spin quantique en particulier fait partie d'une classe plus large de phases magnétiques, ou états fondamentaux, appelés « liquides de spin quantique ».

La glace de spin est une substance magnétique qui ne présente pas de magnétisme conventionnel, comme on le voit dans les aimants en barre traditionnels avec des pôles nord et sud où les électrons s'alignent en parallèle. Au lieu, les moments magnétiques - ou « spins » du matériau - s'arrangent dans des états désordonnés ou « frustrés » et fluctuent entre différentes configurations, même dans des conditions extrêmement froides où les particules devraient geler en position.

"Les moments magnétiques n'entrent pas dans une phase où ils sont tous dans une direction donnée et restent comme ça, " expliqua Sibille. " Au lieu de cela, le système entre dans une phase dynamique et macroscopiquement dégénérée. Cela signifie qu'il existe un très grand nombre de configurations locales différentes des moments magnétiques, et ce nombre s'adapte à la taille de l'échantillon. L'état fondamental fluctue entre ces configurations et n'entre pas dans un ordre statique à longue portée."

L'étude des liquides de spin quantique est encore un domaine très théorique car les outils nécessaires à l'observation de ces phases sont limités.

"Essentiellement, on se limite presque à utiliser des neutrons pour essayer de les observer, " a déclaré Sibille. " L'échantillon que nous utilisons sera également refroidi à 50 milliKelvin [environ -459 ° F]—extrêmement froid. Il est, du moins pour le moment, presque impossible de faire des expériences aux rayons X dans ces conditions."

"Avec des neutrons, vous pouvez cartographier la diffusion diffuse plus facilement qu'avec les rayons X, trop, " ajouta Gauthier. " Cependant, ce qu'on appelle la « glace de spin quantique », c'est lorsque les fluctuations quantiques permettent aux configurations de glace de spin de se creuser entre elles, même à température nulle. Cela conduit à l'émergence d'excitations exotiques qui peuvent être étudiées à l'aide de neutrons. C'est ce qui est le plus intéressant et ce que les gens recherchent intensément en ce moment."

"Nous sommes très heureux d'être les premiers utilisateurs PSI du supermiroir, " dit Sibille. " Si ça marche, c'est à la fois un cas scientifique très intéressant et une belle réussite pour la collaboration entre le PSI et Oak Ridge."

Les résultats des recherches de l'équipe ont été publiés dans la revue Physique de la nature .