Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Liverpool et l'Université McMaster a réalisé une percée importante dans la recherche de nouveaux états de la matière.

Dans une étude publiée dans la revue Physique de la nature , les chercheurs montrent que l'oxyde métallique apparenté à la pérovskite, TbInO 3 , présente un état liquide de spin quantique, un état de la matière longtemps recherché et inhabituel.

Grâce à des technologies expérimentales de pointe, y compris la diffusion inélastique des neutrons et la spectroscopie des muons, les chercheurs ont découvert que l'état quantique exotique dans TbInO 3 émerge de la complexité de l'environnement local autour des ions magnétiques dans le matériau, dans ce cas, de l'élément de terre rare terbium.

La découverte a surpris l'équipe en tant que TbInO 3 est un matériau qui ne devrait pas afficher un comportement magnétique aussi inhabituel en raison de sa structure cristalline.

L'état liquide de spin quantique a été théoriquement proposé il y a plus de quarante ans par le lauréat du prix Nobel Philip Anderson. Dans les liquides de spin quantique, les moments magnétiques se comportent comme un liquide et ne gèlent ni ne commandent même au zéro absolu, donnant lieu à plusieurs propriétés extraordinaires des matériaux.

La matérialisation des liquides de spin quantique est encore largement contestée. En tant que tel, la découverte et l'exploration de nouveaux matériaux susceptibles d'héberger cet état de la matière sont des domaines actifs de la recherche sur les matériaux avancés et ont des applications potentielles dans le développement de l'informatique quantique.

Dr Lucy Clark, de la Materials Innovation Factory de l'Université qui dirige un programme de recherche sur les matériaux quantiques, a déclaré : « Il nous a fallu plusieurs années de travail acharné et d'expériences pour atteindre ce point dans notre compréhension de TbInO 3 ."

"Lors de l'étude d'états quantiques complexes de la matière comme le liquide de spin quantique, la réalisation d'une expérience soulève souvent plus de questions qu'elle ne peut en répondre. Dans le cas de TbInO 3 , cependant, la physique est particulièrement riche, et nous étions donc particulièrement poussés à persévérer. Notre étude montre que TbInO 3 est un matériau magnétique fascinant, et l'une des plus susceptibles d'avoir de nombreuses autres propriétés intrigantes à découvrir encore."

"Aucun de ces travaux n'aurait été possible sans la collaboration de nos collègues des installations centrales de renommée mondiale du laboratoire national d'Oak Ridge et de l'installation ISIS du laboratoire Rutherford Appleton, où une grande partie de nos expériences a été menée. Ces deux installations produisent des particules - en particulier, neutrons et muons - que nous pouvons utiliser pour sonder la structure atomique et les propriétés des matériaux pour révéler la nature de nouvelles phases, comme le liquide de spin quantique."

Professeur Bruce Gaulin, Directeur du Brockhouse Institute for Materials Research de l'Université McMaster, a déclaré : « Ce matériel semble d'une simplicité trompeuse, avec des spins de terbium décorant un bidimensionnel, architecture triangulaire. Mais avec l'ensemble des techniques expérimentales modernes à notre disposition, le magnétisme à basse température de cette structure, basé sur deux environnements de terbium distincts, présente un état désordonné quantique de la matière tout à fait exotique - un résultat inattendu et passionnant. »

Le Dr Lucy Clark a ajouté :« La clé du succès du projet était la collaboration internationale forte et durable, dont le groupe dirigé par le professeur Sang-Wook Cheong, Directeur du Center for Quantum Materials Synthesis de l'Université Rutgers."

Le papier, "Comportement du liquide de spin bidimensionnel dans l'antiferromagnétique triangulaire en nid d'abeille TbInO 3 " est publié dans Physique de la nature .