En 1973, Le physicien et plus tard lauréat du prix Nobel Philip W. Anderson a proposé un état étrange de la matière :le liquide de spin quantique (QSL). Contrairement aux liquides de tous les jours que nous connaissons, la QSL a en fait à voir avec le magnétisme et le magnétisme a à voir avec le spin.

Un spin électronique désordonné produit des QSL

Qu'est-ce qui fait un aimant? C'était un mystère de longue date, mais aujourd'hui nous savons enfin que le magnétisme résulte d'une propriété particulière des particules subatomiques, comme les électrons. Cette propriété est appelée "spin, " et la meilleure - mais largement insuffisante - façon d'y penser est comme une toupie d'enfant.

Ce qui est important pour le magnétisme, c'est que le spin transforme chacun des milliards d'électrons d'un matériau en un minuscule aimant avec sa propre "direction" magnétique (pensez aux pôles nord et sud d'un aimant). Mais les spins des électrons ne sont pas isolés; ils interagissent les uns avec les autres de différentes manières jusqu'à ce qu'ils se stabilisent pour former divers états magnétiques, conférant ainsi au matériau auquel ils appartiennent des propriétés magnétiques.

Dans un aimant conventionnel, les spins en interaction se stabilisent, et les directions magnétiques de chaque électron s'alignent. Il en résulte une formation stable.

Mais dans ce qu'on appelle un aimant "frustré", les spins des électrons ne peuvent pas se stabiliser dans la même direction. Au lieu, ils fluctuent constamment comme un liquide, d'où le nom de « liquide de spin quantique ».

Les liquides de spin quantique dans les technologies futures

Ce qui est intéressant avec les QSL, c'est qu'elles peuvent être utilisées dans un certain nombre d'applications. Parce qu'ils viennent dans différentes variétés avec des propriétés différentes, Les QSL peuvent être utilisées en informatique quantique, télécommunications, supraconducteurs, spintronique (une variante de l'électronique qui utilise le spin des électrons au lieu du courant), et une foule d'autres technologies quantiques.

Mais avant de les exploiter, nous devons d'abord acquérir une solide compréhension des états QSL. Pour faire ça, les scientifiques doivent trouver des moyens de produire des QSL à la demande - une tâche qui s'est avérée difficile jusqu'à présent, avec seulement quelques matériaux proposés en tant que candidats QSL.

Un matériau complexe peut résoudre un problème complexe

Publication dans PNAS , des scientifiques dirigés par Péter Szirmai et Bálint Náfrádi au laboratoire de László Forró à la Faculté des sciences fondamentales de l'EPFL ont réussi à produire et à étudier une QSL dans un matériau très original connu sous le nom d'EDT-BCO. Le système a été conçu et synthétisé par le groupe de Patrick Batail à l'Université d'Angers (CNRS).

La structure d'EDT-BCO est ce qui permet de créer une QSL. Les spins électroniques dans l'EDT-BCO forment des dimères triangulaires, dont chacun a un moment magnétique de spin 1/2, ce qui signifie que l'électron doit tourner complètement deux fois pour revenir à sa configuration initiale. Les couches de spin-1/2 dimères sont séparées par un sous-réseau d'anions carboxylate centré par un bicyclooctane chiral. Les anions sont appelés "rotors" car ils ont des degrés de liberté de conformation et de rotation.

Le composant de rotor unique dans un système magnétique rend le matériau spécial parmi les candidats QSL, représentant une nouvelle famille de matériaux. "Le désordre subtil provoqué par les composants du rotor introduit une nouvelle poignée sur le système de rotation, " dit Szirmai.

Les scientifiques et leurs collaborateurs ont utilisé un arsenal de méthodes pour explorer l'EDT-BCO en tant que matériau candidat QSL :calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, mesures de résonance de spin électronique à haute fréquence (une marque déposée du laboratoire de Forró), résonance magnétique nucléaire, et la spectroscopie de spin du muon. Toutes ces techniques explorent les propriétés magnétiques de l'EDT-BCO sous différents angles.

Toutes les techniques ont confirmé l'absence d'ordre magnétique à longue distance et l'émergence d'une QSL. En bref, EDT-BCO rejoint officiellement les rangs limités des matériaux QSL et nous emmène un peu plus loin dans la prochaine génération de technologies. Comme le dit Bálint Náfrádi :« Au-delà de la superbe démonstration de l'état QSL, notre travail est très pertinent, car il fournit un outil pour obtenir des matériaux QSL supplémentaires via des molécules de rotor fonctionnelles conçues sur mesure. »