Il n'y a aucun moyen connu de prouver qu'un "liquide de spin quantique" en trois dimensions existe, Les physiciens de l'Université Rice et leurs collaborateurs ont donc fait la meilleure chose suivante :ils ont montré que leurs monocristaux de pyrochlore de cérium et de zirconium avaient la bonne substance pour se qualifier comme la première version 3D possible de l'état de la matière longtemps recherché.

Malgré le nom, un liquide de spin quantique est un matériau solide dans lequel la propriété étrange de la mécanique quantique - l'intrication - assure un état magnétique semblable à un liquide.

Dans un article cette semaine à Physique de la nature , les chercheurs ont proposé une multitude de preuves expérimentales, notamment des expériences cruciales de diffusion de neutrons au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) et des expériences de relaxation du spin du muon à l'Institut suisse Paul Scherrer (PSI) - pour étayer leur thèse selon laquelle le pyrochlore de cérium et de zirconium, sous sa forme monocristalline, est le premier matériau qualifié de liquide de spin quantique 3D.

"Un liquide de spin quantique est quelque chose que les scientifiques définissent en fonction de ce que vous ne voyez pas, " a déclaré le Pengcheng Dai de Rice, auteur correspondant de l'étude et membre du Rice's Center for Quantum Materials (RCQM). "Vous ne voyez pas d'ordre à longue distance dans l'arrangement des tours. Vous ne voyez pas de désordre. Et diverses autres choses. Ce n'est pas ceci. Ce n'est pas cela. Il n'y a pas d'identification positive concluante."

Les échantillons de l'équipe de recherche sont considérés comme les premiers du genre :des pyrochlores en raison de leur rapport 2 à 2 à 7 de cérium, zirconium et oxygène, et des monocristaux parce que les atomes à l'intérieur d'eux sont disposés en continu, treillis ininterrompu.

"Nous avons fait toutes les expériences auxquelles nous pouvions penser sur ce composé, " a déclaré Dai. " (Co-auteur de l'étude) Le groupe d'Emilia Morosan à Rice a effectué des travaux sur la capacité thermique pour montrer que le matériau ne subit aucune transition de phase jusqu'à 50 millikelvins. Nous avons fait une cristallographie très minutieuse pour montrer qu'il n'y a pas de désordre dans le cristal. Nous avons fait des expériences de relaxation du spin du muon qui ont démontré une absence d'ordre magnétique à longue distance jusqu'à 20 millikelvins, et nous avons fait des expériences de diffraction qui ont montré que l'échantillon n'a aucune lacune d'oxygène ou d'autres défauts connus. Finalement, nous avons fait une diffusion inélastique des neutrons qui a montré la présence d'un continuum d'excitation de spin - qui peut être une caractéristique du liquide de spin quantique - jusqu'à 35 millikelvins."

Dai, professeur de physique et d'astronomie, crédité le succès de l'étude à ses collègues, notamment les co-auteurs principaux Bin Gao et Tong Chen et le co-auteur David Tam. Gao, un associé de recherche postdoctoral Rice, a créé les échantillons de monocristaux dans un four laser à zone flottante dans le laboratoire du co-auteur de l'Université Rutgers, Sang-Wook Cheong. Tong, un doctorat en riz étudiant, a aidé Bin à effectuer des expériences à l'ORNL qui ont produit un continuum d'excitation de spin indiquant la présence d'un enchevêtrement de spin qui produit un ordre à courte distance, et Tam, également un Rice Ph.D. étudiant, mené des expériences de rotation du spin du muon au PSI.

Malgré les efforts de l'équipe, Dai a dit qu'il est impossible de dire avec certitude que le cérium-zirconium 227 est un liquide de spin, en partie parce que les physiciens ne se sont pas encore mis d'accord sur la preuve expérimentale nécessaire pour faire la déclaration, et en partie parce que la définition d'un liquide de spin quantique est un état qui existe au zéro absolu de température, un idéal hors de portée de toute expérience.

On pense que les liquides de spin quantique se produisent dans des matériaux solides composés d'atomes magnétiques dans des arrangements cristallins particuliers. La propriété inhérente des électrons qui conduit au magnétisme est le spin, et les spins des électrons ne peuvent pointer que vers le haut ou vers le bas. Dans la plupart des matériaux, les tours sont mélangés au hasard comme un jeu de cartes, mais les matériaux magnétiques sont différents. Dans les aimants des réfrigérateurs et à l'intérieur des appareils d'IRM, les spins détectent leurs voisins et s'organisent collectivement dans une direction. Les physiciens appellent cet « ordre ferromagnétique à longue distance, " et un autre exemple important d'ordre magnétique à longue portée est l'antiferromagnétisme, où les spins s'arrangent collectivement dans une répétition, de haut en bas, motif haut-bas.

"Dans un solide avec un arrangement périodique de spins, si vous savez ce que fait un spin ici, vous pouvez savoir ce qu'un spin fait beaucoup, de nombreuses répétitions à cause de l'ordre à longue distance, " a déclaré Andriy Nevidomskyy, physicien théoricien et co-auteur de l'étude, professeur agrégé de physique et d'astronomie et membre du RCQM. « Dans un liquide, d'autre part, il n'y a pas d'ordre à longue distance. Si vous regardez deux molécules d'eau distantes d'un millimètre, par exemple, il n'y a aucune corrélation. Néanmoins, en raison de leurs liaisons hydrogène-hydrogène, ils peuvent encore avoir un arrangement ordonné à de très courtes distances avec des molécules voisines, ce qui serait un exemple d'ordre à courte portée."

En 1973, Le physicien lauréat du prix Nobel Philip Anderson a proposé l'idée de liquides de spin quantiques sur la base de la prise de conscience que cet arrangement géométrique des atomes dans certains cristaux pourrait empêcher les spins enchevêtrés de s'orienter collectivement dans des arrangements stables.

Comme l'a bien décrit l'écrivain scientifique Philip Ball en 2017, "Imaginez un antiferromagnétique - dans lequel les spins adjacents préfèrent être orientés de manière opposée - sur un réseau triangulaire. Chaque spin a deux voisins les plus proches dans un triangle, mais l'alignement antiparallèle ne peut être satisfait pour l'ensemble du trio. Une possibilité est que le réseau de spin se fige dans un état « vitreux » désordonné, mais Anderson a montré que la mécanique quantique permet la possibilité de spins fluctuants même au zéro absolu (température). Cet état est appelé liquide de spin quantique, et Anderson a suggéré plus tard qu'il pourrait être connecté à la supraconductivité à haute température."

La possibilité que les liquides de spin quantique puissent expliquer la supraconductivité à haute température a suscité un intérêt généralisé parmi les physiciens de la matière condensée depuis les années 1980, et Nevidomskyy a déclaré que l'intérêt s'est encore accru lorsqu'il a été "suggéré que certains exemples de liquides de spin quantiques topologiques pourraient se prêter à la construction de qubits" pour l'informatique quantique.

"Mais je crois qu'une partie de la curiosité concernant les liquides de spin quantique est qu'ils ont refait surface dans de nombreuses incarnations et propositions théoriques, " dit-il. " Et bien que nous ayons des modèles théoriques où nous savons, pour un fait, que le résultat sera un liquide de spin, trouver un matériau physique réel qui remplirait ces propriétés a, jusque là, avéré très difficile. Il n'y a pas de consensus sur le terrain, jusqu'à maintenant, que tout matériau - 2-D ou 3-D - est un liquide de spin quantique."