Les sommets de ce réseau en nid d'abeilles représentent des sites avec deux états de spin possibles. Une propriété intrigante de ce modèle est qu'une impulsion magnétique appliquée dans la région ombrée de gauche provoque des changements de spin dans les régions ombrées de droite mais pas dans la partie médiane. Jusqu'à maintenant, le mécanisme par lequel la perturbation de spin traversait la région médiane n'était pas clair. Crédit :Akihisa Koga
Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et de l'Université nationale de Yokohama (YNU) ont découvert le mécanisme particulier par lequel les perturbations de spin traversent une région apparemment infranchissable d'un système liquide de spin quantique. Cette nouvelle idée pourrait représenter un autre élément constitutif de l'électronique de nouvelle génération et même des ordinateurs quantiques.
Les appareils électroniques tels que nous les connaissons sont proches d'atteindre leurs limites théoriques, ce qui signifie qu'une technologie radicalement nouvelle sera nécessaire pour obtenir de meilleures performances ou une miniaturisation plus élevée. Le problème est que l'électronique moderne est centrée sur la manipulation des courants électriques et se préoccupe donc principalement de la charge collective des électrons en mouvement. Mais et si les signaux et les données pouvaient être codés et envoyés de manière plus efficace ?
Entrez dans la spintronique, un domaine technologique émergent destiné à révolutionner l'électronique, et, espérons-le, devenir un acteur clé dans le développement des ordinateurs quantiques. Dans les dispositifs spintroniques, la caractéristique la plus importante des électrons est leur spin, une propriété intrinsèque qui peut être largement considérée comme leur moment cinétique et qui est la cause sous-jacente des phénomènes magnétiques dans les solides. Cependant, les physiciens du monde entier luttent pour trouver des moyens pratiques de générer et de transporter des « paquets de spin » à travers les matériaux. Dans une étude récente, scientifiques de Tokyo Tech et YNU, Japon, ont mené une analyse théorique des caractéristiques particulières de transport de spin d'un système particulier appelé modèle de Kitaev.
Ce modèle bidimensionnel comprend un réseau en nid d'abeilles où chaque sommet héberge un spin. La particularité du système Kitaev est qu'en raison des interactions particulières entre les spins, il se comporte comme un liquide de spin quantique (QSL). Cela signifie en gros qu'il est impossible dans ce système que les tours soient arrangés d'une manière optimale unique qui "rend chaque tour heureux". Ce phénomène, appelé frustration de rotation, provoque un comportement particulièrement désordonné des spins. Professeur Akihisa Koga, qui a dirigé l'étude, dit :« Le modèle Kitaev est un terrain de jeu intéressant pour étudier les QSL. on ne sait pas grand-chose de ses propriétés intrigantes de transport de spin."
Une impulsion magnétique à l'extrémité gauche y provoque des excitations de spin en raison de la variabilité temporelle de leurs spins. Cela se convertit au mouvement des particules de Majorana, qui sont ensuite transmises à travers le matériau jusqu'à son bord opposé. Crédit :Akihisa Koga
Une caractéristique importante du modèle de Kitaev est qu'il présente des symétries locales; de telles symétries signifient que les spins ne sont corrélés qu'avec leurs voisins les plus proches et non avec des spins éloignés, impliquant ainsi qu'il devrait y avoir une barrière au transport de spin. Cependant, en réalité, de petites perturbations magnétiques sur un bord d'un système de Kitaev se manifestent par des changements dans les spins au bord opposé, même si les perturbations ne semblent pas provoquer de changements dans l'aimantation de la centrale, région plus symétrique du matériau. Ce mécanisme intrigant est ce que l'équipe de scientifiques a clarifié dans leur étude, qui est publié dans Lettres d'examen physique .
Ils ont appliqué un champ magnétique impulsionnel sur un bord d'une QSL Kitaev pour déclencher le transport de paquets de spins et ont simulé numériquement la dynamique en temps réel qui s'est donc déroulée. Il s'avère que la perturbation magnétique est transportée à travers la région centrale du matériau par le déplacement des fermions de Majorana. Ce sont des quasi-particules; ce ne sont pas de vraies particules, mais des approximations précises du comportement collectif du système.
Notamment, Le transport de spin médié par Majorana ne peut pas être expliqué par la théorie classique des ondes de spin, et justifie donc d'autres études expérimentales. Mais Koga a bon espoir du potentiel d'application des résultats de cette étude. Il dit, "Nos résultats théoriques devraient être pertinents dans des matériaux réels, également, et la configuration de notre étude pourrait être mise en œuvre physiquement dans certains matériaux candidats pour les systèmes Kitaev. »
Dans leur article, les scientifiques discutent des matériaux possibles, façons de créer les perturbations de spin, et des approches expérimentales pour trouver des preuves que les fermions de Majorana traversent la majeure partie du matériau pour atteindre l'autre bord. Il peut même être possible de contrôler le mouvement des fermions de Majorana statiques (non mobiles) dans le système, ce qui pourrait être d'une utilité pratique.
