Outre la compréhension approfondie du monde naturel offerte par la théorie de la physique quantique, les scientifiques du monde entier s'efforcent d'apporter une révolution technologique en tirant parti de ces nouvelles connaissances dans les applications d'ingénierie. La spintronique est un domaine émergent qui vise à dépasser les limites de l'électronique traditionnelle en utilisant le spin des électrons, qui peut être vu grossièrement comme leur rotation angulaire, comme moyen de transmettre des informations.

Mais la conception de dispositifs pouvant fonctionner à l'aide du spin est extrêmement difficile et nécessite l'utilisation de nouveaux matériaux dans des états exotiques, même certains que les scientifiques ne comprennent pas entièrement et n'ont pas encore observé expérimentalement. Dans une étude récente publiée dans Communication Nature , scientifiques du Département de physique appliquée de l'Université des sciences de Tokyo, Japon, décrire un composé nouvellement synthétisé de formule KCu 6 AlBiO 4 (DONC 4 ) 5 Cl qui peut être essentiel pour comprendre l'état insaisissable de "liquide de spin quantique (QSL)". Le scientifique principal, le Dr Masayoshi Fujihala, explique sa motivation :« L'observation d'un état QSL est l'un des objectifs les plus importants de la physique de la matière condensée ainsi que le développement de nouveaux dispositifs spintroniques. Cependant, l'état QSL dans les systèmes bidimensionnels (2-D) n'a pas été clairement observé dans les matériaux réels en raison de la présence de désordre ou d'écarts par rapport aux modèles idéaux."

Qu'est-ce que l'état liquide de spin quantique ? Dans les matériaux antiferromagnétiques en dessous de températures spécifiques, les spins des électrons s'alignent naturellement dans des motifs à grande échelle. Dans les matériaux à l'état QSL, cependant, les spins sont désordonnés d'une manière similaire à la façon dont les molécules dans l'eau liquide sont désordonnées par rapport à la glace cristalline. Ce trouble résulte d'un phénomène structurel appelé frustration, dans laquelle il n'y a pas de configuration possible de spins qui soit symétrique et énergétiquement favorable pour tous les électrons. KCu 6 AlBiO 4 (DONC 4 ) 5 Cl est un composé nouvellement synthétisé dont les atomes de cuivre sont disposés selon un motif 2-D particulier connu sous le nom de "réseau kagome carré (SKL), " un arrangement qui devrait produire un état QSL par frustration. Professeur Setsuo Mitsuda, co-auteur de l'étude, déclare :« L'absence d'un composé modèle pour le système SKL a empêché une compréhension plus profonde de son état de spin. Motivé par cela, nous avons synthétisé KCu 6 AlBiO 4 (DONC 4 ) 5 Cl, le premier antiferromagnétique SKL, et a démontré l'absence d'ordre magnétique à des températures extrêmement basses - un état QSL."

Cependant, les résultats expérimentaux obtenus n'ont pas pu être reproduits par des calculs théoriques utilisant une norme "J 1 -J 2 -J 3 SKL Heisenberg". Cette approche considère les interactions entre chaque ion cuivre dans le réseau cristallin et ses voisins les plus proches. Le co-auteur, le Dr Katsuhiro Morita explique :"Pour essayer d'éliminer l'écart, nous avons calculé un modèle SKL en considérant les interactions du prochain voisin le plus proche à l'aide de divers ensembles de paramètres. Toujours, nous n'avons pas pu reproduire les résultats expérimentaux. Par conséquent, pour bien comprendre l'expérience, nous devons calculer le modèle avec d'autres interactions."

Ce désaccord entre l'expérience et les calculs met en évidence la nécessité d'affiner les approches théoriques existantes, en tant que co-auteur, le professeur Takami Tohyama conclut :« Alors que l'antiferromagnétique SKL que nous avons synthétisé est un premier candidat pour étudier le magnétisme SKL, nous devrons peut-être considérer des interactions à plus longue distance pour obtenir un liquide de spin quantique dans nos modèles. Cela représente un défi théorique pour dévoiler la nature de l'état QSL. » Espérons que les physiciens parviendront à relever ce défi pour nous rapprocher encore un peu plus de la merveilleuse promesse de la spintronique.