Concept d'artiste représentant des moments magnétiques ayant des alignements fluctuants à 120 degrés différents de ceux de leurs voisins. Crédit :Lilli McKinney
L'avenir de la technologie repose, dans une large mesure, sur de nouveaux matériaux, mais le travail de développement de ces matériaux commence des années avant que leur application spécifique ne soit connue. Stéphane Wilson, professeur de matériaux au College of Engineering de l'UC Santa Barbara, fonctionne dans ce domaine "bien avant", cherchant à créer de nouveaux matériaux qui présentent de nouveaux états souhaitables.
Dans l'article "Field-tunable quantum désordreed ground state in the triangular-lattice antiferromagnet NaYbO
Au niveau atomique, les électrons dans la structure de réseau d'un matériau se comportent différemment, à la fois individuellement et collectivement, de ceux d'un autre matériau. Spécifiquement, le "tour, " ou le moment magnétique intrinsèque de l'électron (semblable à un barreau magnétique inné) et sa tendance à communiquer et à se coordonner avec les moments magnétiques des électrons proches diffère selon le matériau. Divers types de systèmes de spin et de modèles collectifs d'ordre de ces moments sont connus pour se produire , et les scientifiques des matériaux en recherchent toujours de nouveaux, y compris ceux qui ont fait l'objet d'hypothèses mais dont l'existence n'a pas encore été démontrée.
« Il y a certains, des moments plus classiques qui permettent de savoir avec une très grande certitude que la vrille pointe dans une direction particulière, " expliqua Wilson. " Dans ceux-ci, les effets quantiques sont faibles. Mais il y a certains moments où les effets quantiques sont importants, et vous ne pouvez pas orienter précisément la rotation, donc il y a de l'incertitude, que nous appelons « fluctuation quantique ». »
Les états magnétiques quantiques sont ceux dans lesquels le magnétisme d'un matériau est principalement entraîné par de telles fluctuations quantiques, généralement dérivé du principe d'incertitude, intrinsèque aux moments magnétiques. "Donc, vous envisagez un moment magnétique, mais le principe d'incertitude dit que je ne peux pas parfaitement orienter cela dans une direction, " a noté Wilson.
Expliquer l'état liquide de spin quantique, qui a été proposé il y a longtemps et qui fait l'objet de cet article, Wilson a dit, « Dans les matériaux conventionnels, les moments magnétiques se parlent et veulent s'orienter les uns par rapport aux autres pour former un certain ordre." Dans les matériaux classiques, cet ordre est perturbé par les fluctuations thermiques, ce que Wilson décrit comme « juste la chaleur de l'environnement ».
"Si le matériau est suffisamment chaud, il est non magnétique, ce qui signifie que les moments sont en quelque sorte brouillés les uns par rapport aux autres, " expliqua-t-il. " Une fois le matériau refroidi, les moments commencent à communiquer, de telle sorte que leur connexion entre eux surpasse les fluctuations thermiques et ils forment un état ordonné. C'est du magnétisme classique."
Mais les choses sont différentes dans le monde quantique, et les moments magnétiques qui fluctuent peuvent en fait être l'"état fondamental" inhérent d'un matériau.
"Donc, vous pouvez demander s'il existe un état magnétique dans lequel les moments sont empêchés de geler ou de former un motif d'ordre à longue distance les uns par rapport aux autres, pas par les fluctuations thermiques, mais plutôt, par les fluctuations quantiques, " a déclaré Wilson. " Les fluctuations quantiques deviennent plus pertinentes à mesure qu'un matériau se refroidit, tandis que les fluctuations thermiques augmentent à mesure qu'il se réchauffe, vous voulez donc trouver un aimant qui ne commande pas jusqu'à ce que vous puissiez le refroidir suffisamment pour que les fluctuations quantiques l'empêchent de commander. "
Ce désordre quantique est souhaitable car il est associé à l'intrication, la qualité de la mécanique quantique qui permet de coder l'information quantique. Pour déterminer si NaYbO2 pourrait présenter cette caractéristique, les chercheurs ont dû déterminer l'intrinsèque, ou l'état fondamental des moments magnétiques du matériau lorsque toutes les fluctuations thermiques sont supprimées. Dans ce système particulier, Wilson a pu déterminer expérimentalement que les moments magnétiques sont intrinsèquement fluctuants, état de désordre, confirmant ainsi qu'un état désordonné quantique existe.
Pour trouver l'état hypothétique, dit Wilson, "Vous devez d'abord mettre des moments magnétiques hautement quantiques dans un matériau, mais votre matériel doit être construit de telle sorte que les moments ne veuillent pas s'ordonner. Pour ce faire, vous utilisez le principe de la « frustration magnétique ». »
Une façon simple de penser à ça, selon Wilson, est d'imaginer un triangle unique dans la structure en treillis du matériau. "Disons que je construis mon matériel de manière à ce que les moments magnétiques soient tous situés sur un réseau triangulaire, " il a dit, "et ils se parlent tous d'une manière qui les pousse à vouloir s'orienter de manière antiferromagnétique, ou antiparallèle, à une autre."
Dans cet arrangement, tout moment adjacent sur le triangle veut s'orienter antiparallèlement à son voisin. Mais comme il y a un nombre impair de points, vous en avez un en haut à un point et un en bas (antiparallèle au premier) au deuxième point, ce qui signifie que le troisième moment a un moment orienté différemment de chaque côté, donc il ne sait pas quoi faire. Tous les moments sont en concurrence les uns avec les autres.
"C'est de la frustration magnétique, et, comme il s'avère, il réduit la température à laquelle les moments peuvent enfin trouver un arrangement sur lequel ils sont tous d'accord, " dit Wilson. " Alors, par exemple, classiquement, la nature décide qu'à une certaine température, les moments dépareillés s'accordent pour dire qu'ils pointent tous à 120 degrés les uns par rapport aux autres. Donc, ils ne sont pas tous satisfaits à 100%, mais c'est un compromis qui établit un état ordonné."
De là, il ajouta, "L'idée est de prendre un réseau frustré où vous avez déjà supprimé l'état ordonné, et y ajouter des fluctuations quantiques, qui prennent le relais lorsque vous refroidissez le matériau. La frustration magnétique abaisse suffisamment la température de commande pour que les fluctuations quantiques finissent par prendre le dessus et que le système puisse se stabiliser dans un état de spin quantique fondamentalement désordonné. »
Wilson a poursuivi :« C'est le paradigme de ce que les gens recherchent ; cependant, certains matériaux peuvent sembler afficher cet état alors qu'en réalité, ils ne le font pas. Par exemple, tous les vrais matériaux ont du désordre, tels qu'un désordre chimique ou structurel, et cela peut aussi empêcher les moments magnétiques de se parler efficacement et de s'ordonner. Dans ce cas, Wilson dit, "Ils pourraient former un état désordonné, mais c'est plus un congelé, ou statique, état désordonné qu'il s'agit d'un état quantique dynamique.
"Donc, si j'ai un système magnétique qui ne commande pas aux températures les plus basses que je puisse mesurer, il peut être difficile d'essayer de comprendre si ce que je mesure est un type d'état fluctuant de liquide de spin quantique intrinsèque ou un état gelé, extrinsèque, état désordonné d'origine chimique. Cela fait toujours débat."
Parmi les découvertes les plus intéressantes sur ce nouveau matériau, Wilson a dit, c'est que même à la température mesurable la plus basse—0,005 degré centigrade au-dessus du zéro absolu—il ne commande toujours pas.
"Toutefois, dans ce matériau, nous pouvons également appliquer un champ magnétique, qui brise cette compétition engendrée par la frustration magnétique, et puis nous pouvons le conduire à l'ordre, induisant un type particulier d'état antiferromagnétique, " a-t-il ajouté. " La raison pour laquelle c'est important est que cet état spécial est très délicat et constitue une très bonne empreinte pour le degré de désordre chimique présent dans le système et son influence sur l'état magnétique fondamental. Le fait que nous puissions conduire cet état entraîné par le champ nous indique que l'état désordonné que nous voyons à basse température avec un champ magnétique nul est en effet un état désordonné intrinsèquement quantique, cohérent avec le fait d'être un état liquide de spin quantique."
