Les chercheurs repoussent les frontières du monde quantique depuis plus d'un siècle. Et maintes et maintes fois, le spin a été une riche source de nouvelle physique.

Tournoyer, comme la masse et la charge électrique, est une propriété intrinsèque des particules quantiques. Il est essentiel de comprendre comment les objets quantiques réagiront à un champ magnétique, et il divise tous les objets quantiques en deux types. Les demi-entiers, comme l'électron de spin-1/2, refuser de partager le même état quantique, tandis que les nombres entiers, comme le photon spin-1, n'ayez pas de problème à vous ressaisir. Donc, le spin est essentiel lorsqu'on se penche sur pratiquement n'importe quel sujet régi par la mécanique quantique, du boson de Higgs aux supraconducteurs.

Pourtant, après presque un siècle à jouer un rôle central dans la recherche quantique, des questions sur le spin demeurent. Par exemple, pourquoi toutes les particules élémentaires que nous connaissons n'ont-elles que des valeurs de spin de 0, 1/2, ou 1 ? Et quels nouveaux comportements pourraient exister pour les particules avec des valeurs de spin supérieures à 1 ?

La première question peut rester un mystère cosmique, mais il y a des occasions d'explorer la seconde. A l'intérieur d'un matériau, l'environnement d'une particule peut l'amener à se comporter comme si elle avait une nouvelle valeur de spin. Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont découvert des matériaux dans lesquels les électrons se comportent comme si leur spin avait été heurté, de 1/2 à 3/2. Le chercheur postdoctoral de JQI, Igor Boettcher, a exploré les nouveaux comportements que ces rotations pourraient produire dans un article récent présenté sur la couverture de Physical Review Letters.

Au lieu de regarder un matériau particulier, Boettcher s'est concentré sur les mathématiques qui décrivent les interactions entre les électrons de spin-3/2 à basse température. Ces électrons peuvent interagir de plus de manières que leurs homologues mondains spin-1/2, qui déverrouille de nouvelles phases – ou comportements collectifs – que les chercheurs peuvent rechercher dans les expérimentations. Boettcher a passé au crible les phases possibles, rechercher ceux qui sont susceptibles d'être stables à basse température. Il a regardé quelles phases mobilisent le moins d'énergie dans les interactions, car à mesure que la température baisse, un matériau devient le plus stable sous la forme contenant le moins d'énergie (comme la vapeur se condensant en eau liquide et finalement se congelant en glace).

Il a trouvé trois phases prometteuses à rechercher dans les expériences. Laquelle de ces phases, si seulement, survenir dans un matériau particulier dépendra de ses propriétés uniques. Toujours, Les prédictions de Boettcher fournissent aux chercheurs des signaux à surveiller pendant les expériences. Si l'une des phases se forme, il prédit que les techniques de mesure courantes révéleront un changement de signature dans les propriétés électriques.

Le travail de Boettcher est une première étape dans l'exploration des matériaux spin-3/2. Il espère qu'un jour le champ sera comparable à celui du graphène, avec des chercheurs en course constante pour explorer une nouvelle physique, produire des matériaux de meilleure qualité, et identifier de nouvelles propriétés de transport.

"J'espère vraiment que cela deviendra un grand domaine, ce qui exigera à la fois des expérimentateurs et des théoriciens de faire leur part pour que nous puissions vraiment apprendre quelque chose sur les particules de spin-3/2 et comment elles interagissent. " dit Boettcher. " Ce n'est vraiment que le début en ce moment, parce que ces matériaux viennent d'apparaître. "