A des températures suffisamment basses, les systèmes magnétiques deviennent généralement des cristaux solides. Un phénomène célèbre par lequel cela se produit est le ferromagnétisme, se produisant lorsque tous les moments ou spins élémentaires interagissent à l'échelle atomique (c'est-à-dire, l'interaction dite de Heisenberg) et s'alignent dans une direction. Le ferromagnétisme sous-tend le fonctionnement de plusieurs objets du quotidien, y compris les boussoles, aimants de réfrigérateur et disques durs.

Dans certains cas, les moments et les spins voisins peuvent s'anti-aligner afin de minimiser l'énergie d'interaction des paires. Lorsqu'un réseau a une géométrie triangulaire, cependant, cette minimisation par paire devient impossible, donnant lieu à un phénomène connu sous le nom de « frustration ». La frustration semble être un outil unique pour vaincre les paradigmes du magnétisme classique et laisser émerger des états quantiques plus exotiques.

Les physiciens mènent depuis plusieurs décennies des études visant à déterminer l'état fondamental des aimants quantiques frustrés, car cela pourrait avoir des implications importantes pour la physique de la matière condensée. Sur la base de ces études antérieures, des chercheurs de l'Université Paris-Saclay et d'autres institutions en France ont récemment mené une expérience visant à dévoiler l'état fondamental de l'archétype du kagome quantique ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 .

"Sur un treillis triangulaire, les rotations s'ordonneraient classiquement à un angle de 120 degrés, le meilleur compromis dans ce contexte frustrant, " Philippe Mendels, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Dans les années 1970, Phil Anderson a proposé une alternative à ce meilleur compromis lorsque les effets quantiques deviennent importants, comme avec les demi-tours, l'état de liaison de valence résonante. Les spins voisins s'assembleraient toujours (se marieraient) en paires et se désassembleraient (divorceraient) pour créer des paires entre de nouveaux partenaires, conduisant à un assemblage de paires généralement fluctuant.

L'état fondamental fluctuant de manière persistante théorisé par Anderson est connu sous le nom d'état « liquide de rotation », car il ressemble à l'état observé dans les liquides. Il s'agit d'un état hautement intriqué avec des milliards de tours, où les spins individuels perdent leur identité et se fondent dans un état collectif macroscopique.

"L'idée de l'état liquide de spin a été relancé par Anderson lui-même en tant que germe de la supraconductivité à haute température découverte dans les années 1980, " expliqua Mendels. " Dans les années 90, les gens ont commencé à se demander dans quelles conditions cet état RVB pourrait être stabilisé dans les antiferromagnétiques. Les chercheurs ont vite découvert que le kagome, un réseau en forme d'étoile de David composé de triangles partageant les coins, peut être la structure idéale pour rechercher des liquides de spin, notamment en utilisant des spins quantiques 1/2, qui sont les plus sujettes aux fluctuations."

Au cours des dernières décennies, de nombreuses études se sont concentrées sur deux questions de recherche simples :la stabilisation d'un état liquide de spin sur un réseau kagome est-elle réellement possible ? et si oui, quel est l'état fondamental le plus stable possible. Les preuves suggèrent maintenant qu'il est possible d'atteindre un état liquide de spin dans les réseaux kagome, pourtant, quel est l'état le plus stable possible reste incertain.

« Du côté expérimental, les matériaux kagome sont rares, l'un d'eux, et encore probablement le meilleur exemple à ce jour, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 , a été synthétisé pour la première fois au milieu des années 2000 et produit sous une forme cristalline seulement dans les années 2010, " a déclaré Mendels. " Ce matériau fantastique permet à la communauté du magnétisme quantique de défier les prédictions théoriques, et renforce maintenant notre compréhension actuelle du problème. »

Dans leur étude, qui figurait dans Physique de la nature , Mendels et ses collègues ont étudié les propriétés magnétiques du kagome ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 état fondamental. Leur objectif ultime était de découvrir à quelle classe de liquides de spin appartient ce matériau.

"La nature n'est pas parfaite, et bien que probablement le meilleur prototype pour l'antiferromagnétique kagome, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 souffre encore de défauts, " a déclaré Mendels. " Le Zn et le Cu sont trop similaires pour rester là où ils devraient idéalement produire un antiferromagnétique de spin-½ kagome parfait. un peu de cu ²⁺ les vrilles se localisent en effet hors du réseau kagome et obscurcissent les investigations, appelant à des expériences standard telles que la chaleur spécifique à l'aimantation."

Dans leurs expériences, Mendels et ses collègues ont utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN), une technique qui permet la collecte d'observations locales et qui est à la base de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), l'une des méthodes les plus utilisées pour détecter les conditions médicales. Par RMN basse température, ils ont pu distinguer les zones défectueuses et non défectueuses du matériau afin d'isoler les signatures uniques des spins kagome. Cette procédure a finalement permis aux chercheurs de distinguer les caractéristiques et la dynamique spécifiques du ZnCu. 3 (OH) 6 Cl 2 .

Lorsque vous essayez de faire la distinction entre différentes classes de liquides d'essorage, les scientifiques doivent d'abord essayer de comprendre comment les paires de spins se brisent d'une manière qui correspond à l'image délimitée par Anderson dans ses théories. Cela signifie déterminer s'il existe un écart entre les états fondamental et excité, ce qui peut être plus difficile lorsqu'il s'agit d'une superposition d'états quantiques. L'étude menée par Mendels et ses collègues pourrait être l'un des premiers pas dans cette direction.

« En étudiant la susceptibilité locale, la réponse à un champ magnétique, et la façon dont les excitations se produisent lorsque nous chauffons l'échantillon à des températures proches du zéro absolu, nous montrons clairement qu'il n'y a pas de trou dans le spectre d'énergie des excitations et discutons d'une certaine cohérence avec les théories prédictives récentes sur les excitations, " dit Mendels. " Quelle que soit la conclusion finale, nous fournissons des contraintes fortes aux théories et réduisons la gamme des modèles possibles."

Dans leurs récents travaux, Mendels et ses collègues ont recueilli de nouvelles informations précieuses sur les états et les caractéristiques des matériaux kagome. Globalement, leurs découvertes suggèrent que l'archétype du kagome quantique ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 ne recèle aucun écart de spin, qui est aligné sur les calculs numériques menés par d'autres équipes de recherche. À l'avenir, cette observation importante pourrait servir de base à d'autres études de physique de la matière condensée, élargissant finalement la compréhension actuelle des aimants quantiques frustrés.

"L'un de nos rêves à long terme est de produire un sinon kagome, matériau quantique qui pourrait être dopé pour devenir un métal, rencontrer les vues d'Anderson sur un nouveau type de supraconducteur, " a déclaré Mendels. " La portée de ce travail est encore plus large, car la topologie dans la matière condensée est devenue très populaire après l'attribution du prix Nobel 2016. Les métaux à base de Kagome sont très recherchés pour leurs propriétés topologiques. Nos travaux peuvent ouvrir de nouvelles voies de recherche sur de nouveaux concepts, mais cela peut aussi aider à relever de nouveaux défis en physique fondamentale et en science des matériaux."

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