En utilisant une nouvelle méthode de calcul, une collaboration internationale a réussi pour la première fois à étudier systématiquement les effets quantiques magnétiques dans le célèbre modèle 3D du pyrochlore Heisenberg. La découverte surprenante :les phases quantiques physiques ne sont formées que pour de petites valeurs de spin.

Les atomes et les molécules des solides cristallins sont disposés en réseaux tridimensionnels réguliers. Les atomes interagissent les uns avec les autres via diverses forces, atteignant finalement un état d'énergie minimale. Près du zéro absolu, les oscillations du réseau se figent, de sorte que les interactions entre spins électroniques dominent. Un cas particulièrement intéressant se produit lorsque les spins ne peuvent pas tous s'aligner en même temps pour atteindre un état de plus faible énergie. Il en résulte un système frustré dans lequel les spins sont presque complètement désordonnés et sont donc appelés liquide de spin.

Structure cristalline cubique

L'un des principaux modèles pour l'étude des aimants quantiques frustrés en 3D est le modèle Heisenberg sur un réseau de pyrochlore, une structure cristalline cubique simple (voir illustration). Néanmoins, il a été jusqu'à présent extrêmement difficile de faire des prédictions pratiques, c'est-à-dire pour des matériaux et des températures spécifiques, à partir de ce modèle théorique.

Des équipes d'Allemagne, Japon, Canada, et l'Inde ont maintenant mené conjointement des recherches systématiques sur ce modèle à l'aide d'une nouvelle méthode théorique et résolu plusieurs de ces difficultés. Il est possible avec cette nouvelle méthode de faire varier la valeur de spin des atomes du réseau ainsi que la température et d'autres paramètres d'interaction, et pour calculer les plages de paramètres dans lesquelles de nouveaux effets quantiques magnétiques se produisent. Les calculs ont été effectués au Leibniz Supercomputing Center (LRZ) à Munich.

Effets quantiques uniquement pour les petits spins

"Nous avons pu montrer que les effets physiques quantiques ne se produisent étonnamment que sur des plages de paramètres très limitées", explique le physicien théoricien Prof. Johannes Reuther du HZB, co-auteur de l'étude. Ces effets quantiques sont les plus prononcés au plus petit spin possible (valeur de spin ½). Cependant, les systèmes de spin dans la structure cristalline étudiée par les équipes se comportent déjà presque complètement comme des systèmes physiques classiques à des valeurs de spin de 1,5 et plus.

Les travaux publiés approfondissent notre compréhension des solides et contribuent à l'avancement systématique de la recherche de fluides de spin 3D dans les matériaux quantiques.