Pour la première fois, les physiciens présentent une théorie unifiée expliquant deux caractéristiques des aimants frustrés et pourquoi ils sont souvent vus ensemble.

Quand les physiciens envoient des neutrons à travers un aimant frustré, les particules pulvérisent de l'autre côté dans des motifs de signature. Les dessins apparaissent parce que, même à basse température, les atomes d'un métal frustré oscillent dans le temps les uns avec les autres. Un modèle distinctif, connu sous le nom de « point de pincement », " ressemble à un nœud papillon et est largement étudié dans le monde des liquides de spin. Les points de pincement sont souvent accompagnés de mystérieux motifs en croissant appelés " demi-lunes, " mais la physique liant les phénomènes n'a jamais été clarifiée.

Maintenant, des chercheurs de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont révélé que les points de pincement et les demi-lunes sont une seule et même lune – simplement des signatures de la même physique à différents niveaux d'énergie. Leur théorie unifiée, publié le 12 octobre 2018, comme un Examen physique B Communication rapide, est le premier à expliquer la physique sous-jacente à l'origine des phénomènes souvent appariés.

"La théorie elle-même est assez simple, " dit Han Yan, un étudiant diplômé de l'unité Théorie de la matière quantique à l'OIST et premier auteur de l'étude. "De la même théorie qui vous donne le point de pincement à basse énergie, vous pouvez calculer ce qui se passe à une énergie plus élevée et vous obtenez une paire de demi-lunes."

Si vous zoomez près d'un aimant frustré, chaque atome composant le matériau semble tourner de manière erratique. En réalité, cependant, ces atomes participent à une danse magnifiquement coordonnée, tournant dans le temps les uns avec les autres de sorte que leurs tractions magnétiques s'annulent finalement. Ce ballet est difficile à observer directement, donc au lieu, les physiciens recherchent des indices révélateurs que la performance a lieu.

Une technique expérimentale appelée diffusion de neutrons permet aux scientifiques de recueillir ces indices. Les neutrons ne portent pas de charge électrique, mais ils agissent comme une source localisée de magnétisme. Les atomes individuels agissent également comme de minuscules aimants, avec leurs propres pôles nord et sud. Lorsqu'il est envoyé à travers un matériau, la vitesse et la direction d'un neutron sont rejetées par les atomes qu'il traverse, et ainsi il est "éparpillé".

Le motif de la diffusion indique aux physiciens comment les atomes se comportent à l'intérieur d'un matériau. Par exemple, si les neutrons se dispersent pêle-mêle, les physiciens déduisent que les atomes d'un matériau sont alignés de manière aléatoire. Si les neutrons se dispersent dans un nœud papillon caractéristique, ils en déduisent que les atomes tournent en tandem, comme ils le feraient dans un aimant frustré.

Des points de pincement apparaissent lorsqu'un nombre égal d'aimants atomiques, ou "tourne, " indiquent "out" comme pointant "in" dans n'importe quelle région de l'aimant frustré. Cet équilibre rend le matériau non magnétique et le maintient à un niveau d'énergie minimal.

Des demi-lunes apparaissent lorsqu'un aimant frustré a de l'énergie au-delà de ce niveau minimal, et viole ainsi la loi de conservation locale qui exige qu'un nombre égal de spins soit signalé comme in. En substance, les demi-lunes sont des points de pincement placés sur une courbe. Plus la courbure est grande, plus la violation est forte, plus le système utilise d'énergie. Les chercheurs de l'OIST ont découvert cette relation dans leurs calculs et l'ont ensuite mise à l'épreuve.

Les chercheurs ont testé leur théorie unifiée dans un système simulé où les points de pincement et les demi-lunes peuvent être observés ensemble, connu sous le nom d'antiferro-aimant de Heisenberg sur un réseau kagome. Ils ont également appliqué leurs équations à des observations récentes de l'aimant frustré Nd2Zr2O7 et ont constaté que leur théorie expliquait l'apparition des deux modèles en application, également.

"Les points de pincement et les demi-lunes proviennent de la même physique sous-jacente - l'un du respect de la loi de conservation locale et l'autre de sa violation, " dit Yan. " Quand vous les assemblez, ils forment une image d'ensemble de la phénoménologie globale."

À l'avenir, la théorie unifiée des demi-lunes et des points de pincement devrait s'avérer utile en physique théorique et appliquée, et peut-être au-delà.

« D'un certain point de vue, chaque système de matière condensée est en lui-même un univers différent, " dit Yan. " C'est une grande curiosité intellectuelle de retrouver ces univers, avec leurs propres lois étranges de la nature, mais cela concerne aussi la vie quotidienne. Les gens essaient d'identifier les lois particulièrement utiles dans ces mini-univers afin que nous puissions les utiliser à notre avantage."