Une illustration de la structure cristalline du trichlorure de ruthénium montrant le simple réseau en nid d'abeille des ions ruthénium et des ions chlore. Les octaèdres torsadés formés par le chlore autour du spin électronique de chaque atome de ruthénium sont des images miroir les uns des autres. Cette torsion est la clé du comportement inhabituel du composé, ce qui prouve qu'il peut contenir un exemple de liquide de spin quantique. Crédit :Avec l'aimable autorisation d'Arkady Shekhter/Laboratoire national de champ magnétique élevé
Grâce à une nouvelle technique, des scientifiques travaillant au laboratoire national de champ magnétique élevé de la Florida State University ont trouvé des preuves d'un liquide de spin quantique, un état de la matière prometteur comme brique de base pour les ordinateurs quantiques de demain.
Les chercheurs ont découvert ce comportement passionnant en étudiant les soi-disant spins électroniques dans le composé trichlorure de ruthénium. Leurs découvertes, publié aujourd'hui dans la revue Physique de la nature , montrer que les spins des électrons interagissent à travers le matériau, abaissant efficacement l'énergie globale. Ce type de comportement, cohérent avec un liquide de spin quantique, a été détecté dans le trichlorure de ruthénium à haute température et dans des champs magnétiques élevés.
Essorer les liquides, théorisé pour la première fois en 1973, restent quelque chose d'un mystère. Malgré certains matériaux montrant des signes prometteurs pour cet état de la matière, il est extrêmement difficile de confirmer définitivement son existence. Cependant, ils suscitent un grand intérêt car les scientifiques pensent qu'ils pourraient être utilisés pour la conception de matériaux plus intelligents dans une variété d'applications, comme l'informatique quantique.
Cette étude soutient fortement que le trichlorure de ruthénium est un liquide de spin, a déclaré le physicien Kim Modic, un ancien étudiant diplômé qui a travaillé à l'installation de champ pulsé du MagLab et est maintenant professeur adjoint à l'Institut des sciences et technologies d'Autriche.
"Je pense que cet article offre une nouvelle perspective sur le trichlorure de ruthénium et démontre une nouvelle façon de rechercher les signatures des liquides de filage, " dit Modic, l'auteur principal du journal.
Depuis des décennies, les physiciens ont largement étudié la charge d'un électron, qui transporte l'électricité, ouvrant la voie aux avancées de l'électronique, l'énergie et d'autres domaines. Mais les électrons ont aussi une propriété appelée spin. Les scientifiques veulent également tirer parti de l'aspect spin des électrons pour la technologie, mais le comportement universel des spins n'est pas encore entièrement compris.
En termes simples, les électrons peuvent être considérés comme tournant sur un axe, comme un haut, orienté dans une certaine direction. Dans les matériaux magnétiques, ces tours s'alignent les uns avec les autres, soit dans le même sens, soit dans des sens opposés. Appelé commande magnétique, ce comportement peut être induit ou supprimé par la température ou le champ magnétique. Une fois l'ordre magnétique supprimé, des états de la matière plus exotiques pourraient émerger, comme les liquides de spin quantique.
A la recherche d'un liquide d'essorage, l'équipe de recherche s'est concentrée sur le trichlorure de ruthénium. Sa structure en nid d'abeille, avec un tour sur chaque site, est comme une version magnétique du graphène, un autre sujet brûlant en physique de la matière condensée.
"Le ruthénium est beaucoup plus lourd que le carbone, ce qui se traduit par de fortes interactions entre les spins, " a déclaré Arkady Shekhter, physicien du MagLab, un co-auteur sur le papier.
L'équipe s'attendait à ce que ces interactions augmentent la frustration magnétique dans le matériau. C'est une sorte de scénario "à trois" dans lequel deux spins s'associent, laissant le troisième dans les limbes magnétiques, qui contrecarre l'ordre magnétique. Cette frustration, l'équipe a émis l'hypothèse, pourrait conduire à un état liquide de spin. Leurs données ont fini par confirmer leurs soupçons.
"Il semble que, à basse température et sous champ magnétique appliqué, le trichlorure de ruthénium montre des signes du comportement que nous recherchons, " a dit Modic. " Les spins ne s'orientent pas simplement en fonction de l'alignement des spins voisins, mais sont plutôt dynamiques, comme des molécules d'eau tourbillonnantes, tout en maintenant une certaine corrélation entre elles. »
Les découvertes ont été rendues possibles par une nouvelle technique que l'équipe a développée appelée magnétométrie de torsion résonante, qui mesure avec précision le comportement des spins des électrons dans des champs magnétiques élevés et pourrait conduire à de nombreuses autres nouvelles connaissances sur les matériaux magnétiques, dit Modic.
"Nous n'avons pas vraiment les techniques de pointe ou la machinerie analytique pour étudier les excitations des spins électroniques, comme nous le faisons pour les systèmes de charge, " Modic a déclaré. "Les méthodes qui existent nécessitent généralement de grandes tailles d'échantillons, qui peut ne pas être disponible. Notre technique est très sensible et fonctionne sur de minuscules, échantillons délicats. Cela pourrait changer la donne pour ce domaine de recherche. »
Modic a développé la technique en tant que chercheur postdoctoral et a ensuite travaillé avec les physiciens du MagLab Shekhter et Ross McDonald, un autre co-auteur sur le papier, pour mesurer le trichlorure de ruthénium dans des champs magnétiques élevés.
Leur technique consistait à monter des échantillons de trichlorure de ruthénium sur un porte-à-faux de la taille d'une mèche de cheveux. Ils ont réutilisé un diapason à quartz, similaire à celui d'une montre à quartz, pour faire vibrer le porte-à-faux dans un champ magnétique. Au lieu de l'utiliser pour lire l'heure avec précision, ils ont mesuré la fréquence des vibrations pour étudier l'interaction entre les spins du trichlorure de ruthénium et le champ magnétique appliqué. Ils ont effectué leurs mesures dans deux aimants puissants au National MagLab.
"La beauté de notre approche est qu'il s'agit d'une configuration relativement simple, ce qui nous a permis de réaliser nos mesures à la fois dans un aimant résistif de 35 teslas et un aimant à champ pulsé de 65 tesla, " a déclaré Modic.
La prochaine étape de la recherche sera d'étudier ce système dans l'aimant pulsé de 100 teslas du MagLab, un record du monde.
"Ce haut d'un champ magnétique devrait nous permettre d'observer directement la suppression de l'état liquide de spin, qui nous aidera à en apprendre encore plus sur le fonctionnement interne de ce composé, " a déclaré Shekhter.
