Cela ressemble à une énigme :qu'est-ce que vous obtenez si vous prenez deux petits diamants, mettre un petit cristal magnétique entre eux et les serrer très lentement ?

La réponse est un liquide magnétique, ce qui semble contre-intuitif. Les liquides deviennent solides sous pression, mais généralement pas l'inverse. Mais cette découverte charnière inhabituelle, dévoilé par une équipe de chercheurs travaillant à l'Advanced Photon Source (APS), une installation des utilisateurs du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) au laboratoire national d'Argonne du DOE, peut fournir aux scientifiques de nouvelles perspectives sur la supraconductivité à haute température et l'informatique quantique.

Bien que les scientifiques et les ingénieurs utilisent des matériaux supraconducteurs depuis des décennies, le processus exact par lequel les supraconducteurs à haute température conduisent l'électricité sans résistance reste un mystère de la mécanique quantique. Les signes révélateurs d'un supraconducteur sont une perte de résistance et une perte de magnétisme. Les supraconducteurs à haute température peuvent fonctionner à des températures supérieures à celles de l'azote liquide (-320 degrés Fahrenheit), ce qui les rend attractifs pour les lignes de transmission sans perte dans les réseaux électriques et d'autres applications dans le secteur de l'énergie.

Mais personne ne sait vraiment comment les supraconducteurs à haute température atteignent cet état. Cette connaissance est nécessaire pour augmenter la température de fonctionnement de ces matériaux vers la température ambiante, quelque chose qui serait nécessaire pour la mise en œuvre à grande échelle des supraconducteurs dans les réseaux électriques économes en énergie.

Une idée avancée en 1987 par le regretté théoricien Phil Anderson de l'Université de Princeton consiste à mettre des matériaux dans un état liquide de spin quantique, qu'Anderson a proposé pourrait conduire à une supraconductivité à haute température. La clé, ce sont les spins des électrons dans chacun des atomes du matériau, qui, dans certaines conditions, peuvent être poussés dans un état où ils deviennent « frustrés » et incapables de s'organiser selon un modèle ordonné.

Pour soulager cette frustration, les directions de spin des électrons fluctuent dans le temps, ne s'alignant avec les spins voisins que pendant de courtes périodes de temps, comme un liquide. Ce sont ces fluctuations qui peuvent aider à la formation des paires d'électrons nécessaires à la supraconductivité à haute température.

La pression fournit un moyen de "régler" la séparation entre les spins des électrons et de conduire un aimant dans un état frustré où le magnétisme disparaît à une certaine pression et un liquide de spin émerge, selon Daniel Haskel, le physicien et chef de groupe de la division des sciences des rayons X (XSD) d'Argonne qui a dirigé une équipe de recherche à travers une série d'expériences à l'APS pour faire exactement cela. L'équipe comprenait le physicien adjoint d'Argonne Gilberto Fabbris et les physiciens Jong-Woo Kim et Jung Ho Kim, tout XSD.

Haskel prend soin de dire que les résultats de son équipe, récemment publié dans Lettres d'examen physique , ne démontrent pas de façon concluante la nature quantique de l'état liquide de spin, dans lequel les spins atomiques continueraient à se déplacer même à des températures de zéro absolu - d'autres expériences seraient nécessaires pour le confirmer.

Mais ils le montrent, en appliquant une pression lente et constante, certains matériaux magnétiques peuvent être poussés dans un état similaire à un liquide, dans lequel les spins des électrons se désordonnent et le magnétisme disparaît, tout en préservant l'arrangement cristallin des atomes hébergeant les spins électroniques. Les chercheurs sont convaincus d'avoir créé un liquide de spin, dans laquelle les spins des électrons sont désordonnés, mais ne sont pas certains si ces spins sont enchevêtrés, ce qui serait le signe d'un liquide de spin quantique.

S'il s'agit d'un liquide de spin quantique, Haskel a dit, la possibilité d'en créer un par cette méthode aurait de vastes implications.

"Certains types de liquides de spin quantique peuvent permettre une informatique quantique sans erreur, " a dit Haskel. " Un liquide de spin quantique est une superposition d'états de spin, fluctuant mais intriqué. Il est juste de dire que ce processus, devrait-il créer un liquide de spin quantique avec superposition quantique, aura fait un qubit, le bloc de construction de base d'un ordinateur quantique."

Alors qu'a fait l'équipe, et comment ont-ils fait? Cela nous ramène aux diamants, partie d'un dispositif expérimental unique à l'APS. Les chercheurs ont utilisé deux enclumes de diamant, coupé d'une manière similaire à ce que vous verriez dans les bijouteries, avec une base large et une plus étroite, bord plat. Ils ont positionné les petits bords plats ensemble, inséré entre eux un échantillon de matériau magnétique (en l'occurrence un alliage strontium-iridium), et poussé.

"L'idée est que lorsque vous le pressurisez, il rapproche les atomes, " dit Fabbris. " Et puisque nous pouvons le faire lentement, nous pouvons le faire en continu, et nous pouvons mesurer les propriétés de l'échantillon au fur et à mesure que nous montons en pression."

Quand Fabbris dit que la pression a été appliquée lentement, il ne plaisante pas - chacune de ces expériences a duré environ une semaine, il a dit, à l'aide d'un échantillon d'environ 100 microns de diamètre, ou environ la largeur d'une fine feuille de papier. Comme les chercheurs ne savaient pas à quelle pression le magnétisme disparaîtrait, ils devaient mesurer soigneusement à chaque très légère augmentation.

Et le voir disparaître, ils l'ont fait, à environ 20 gigapascals - équivalent à 200, 000 atmosphères, soit environ 200 fois plus de pression que celle que l'on peut trouver au fond de la fosse des Mariannes dans l'océan Pacifique, la tranchée la plus profonde de la Terre. Les spins des électrons sont restés corrélés sur de courtes distances, comme un liquide, mais est resté désordonné même à des températures aussi basses que 1,5 Kelvin (−457 degrés Fahrenheit).

L'astuce, Haskel a déclaré - et la clé pour créer un état liquide de spin - était de préserver l'ordre cristallin et la symétrie de l'arrangement atomique, puisque l'effet indésirable du désordre aléatoire dans les positions atomiques aurait conduit à un état magnétique différent, un sans les propriétés uniques de l'état liquide de spin. Haskel compare les spins des électrons aux voisins d'un pâté de maisons - à mesure qu'ils se rapprochent, ils veulent tous se faire plaisir, changer leur direction de rotation pour correspondre à celle de leurs voisins. Le but est de les rapprocher tellement qu'ils ne peuvent pas satisfaire tous leurs voisins, ainsi "frustrant" leurs interactions de spin, tout en conservant la structure de l'îlot.

L'équipe de recherche a utilisé les capacités d'imagerie aux rayons X intenses de l'APS pour mesurer le magnétisme de l'échantillon, et selon Haskel et Fabbris, l'APS est la seule installation aux États-Unis où une telle expérience pourrait être faite. En particulier, Fabbris a dit, la capacité de se concentrer sur un type d'atome, en ignorant tous les autres, était cruciale.

"Les échantillons sont très petits, et si vous essayez de mesurer le magnétisme avec d'autres techniques dans un laboratoire universitaire, vous capterez le signal magnétique des composants de la cellule à enclume en diamant, " a déclaré Fabbris. " Les mesures que nous avons faites sont impossibles sans une source lumineuse comme l'APS. Il en est particulièrement capable."

Maintenant que l'équipe a atteint un état liquide de rotation, et après? Plus d'expérimentation est nécessaire pour voir si un liquide de spin quantique a été créé. Les futures expériences consisteront à sonder la nature de la dynamique et des corrélations de spin plus directement dans l'état liquide de spin. Mais les résultats récents, Haskel a dit, fournir un chemin pour réaliser ces états quantiques insaisissables, celui qui pourrait conduire à de nouvelles connaissances sur la supraconductivité et les sciences de l'information quantique.

Haskel a également souligné la mise à niveau APS, un projet massif qui verra la luminosité de l'instrument augmentée jusqu'à 1, 000 fois. Cette, il a dit, permettra des sondes beaucoup plus profondes dans ces états fascinants de la matière.

"C'est à l'imagination de chacun quels effets surprenants de mécanique quantique attendent d'être découverts, " il a dit.