Utilisant un 3 Il- 4 Le réfrigérateur à dilution, les expériences micro-ondes peuvent être réalisées à des températures extrêmement basses :quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Crédit :Université de Stuttgart, Constantin Dressel
Un liquide de spin quantique est un état de la matière dans lequel les spins quantiques en interaction ne s'alignent pas même aux températures les plus basses, mais restent désordonnés. Les recherches sur cet état se poursuivent depuis près de 50 ans, mais qu'il existe vraiment n'a jamais été prouvé au-delà de tout doute. Une équipe internationale dirigée par le physicien Prof. Martin Dressel à l'Université de Stuttgart a pour l'instant mis un terme au rêve d'un liquide de spin quantique. Néanmoins, l'affaire reste passionnante.
Lorsque les températures descendent en dessous de zéro degré Celsius, l'eau se transforme en glace. Mais est-ce que tout gèle réellement si vous le refroidissez juste assez ? Dans l'image classique, la matière devient intrinsèquement solide à basse température. La mécanique quantique peut, cependant, briser cette règle. Par conséquent, hélium gazeux, par exemple, peut devenir liquide à -270 degrés, mais jamais solide sous pression atmosphérique :Il n'y a pas de glace d'hélium.
Il en est de même pour les propriétés magnétiques des matériaux :à des températures suffisamment basses, les moments magnétiques appelés « spins », par exemple, s'agencent de telle sorte qu'ils soient orientés à l'opposé/antiparallèle à leurs voisins respectifs. On peut considérer cela comme des flèches pointant alternativement de haut en bas le long d'une chaîne ou en damier. Cela devient frustrant lorsque le motif est basé sur des triangles :alors que deux rotations peuvent s'aligner dans des directions opposées, le troisième est toujours parallèle à l'un d'eux et non à l'autre, peu importe comment vous le tournez.
Pour ce problème, la mécanique quantique suggère la solution que l'orientation et la liaison de deux spins ne sont pas rigides, mais les spins fluctuent. L'état formé est appelé liquide de spin quantique dans lequel les spins constituent un ensemble intriqué mécaniquement quantique. Cette idée a été proposée il y a près de cinquante ans par le prix Nobel américain Phil W. Anderson (1923-2020). Après des décennies de recherche, il ne reste qu'une poignée de vrais matériaux à la recherche de cet état exotique de la matière. En tant que « candidat » particulièrement prometteur, un réseau triangulaire dans un composé organique complexe a été considéré, dans lequel aucun ordre magnétique avec un motif régulier haut-bas n'a pu être observé, même à des températures extrêmement basses. Était-ce la preuve que les liquides de spin quantique existent vraiment ?
Disposition des spins dans un réseau triangulaire :Deux spins forment chacun une paire, où leurs moments magnétiques s'annulent lorsqu'ils sont vus de l'extérieur. Crédit :Université de Stuttgart, PI1
Un problème est qu'il est extrêmement difficile de mesurer les spins des électrons jusqu'à des températures extrêmement basses, en particulier le long de différentes directions cristallines et dans des champs magnétiques variables. Toutes les expériences précédentes n'ont pu sonder les liquides de spin quantique que plus ou moins indirectement, et leur interprétation est basée sur certaines hypothèses et modèles. Par conséquent, une nouvelle méthode de spectroscopie de résonance de spin électronique à large bande a été développée pendant de nombreuses années à l'Institut de physique 1 de l'Université de Stuttgart.
En utilisant des lignes micro-ondes sur puce, on peut observer directement les propriétés des spins jusqu'à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Ce faisant, les chercheurs ont découvert que les moments magnétiques ne s'organisent pas dans le modèle haut-bas d'un aimant typique, ils ne forment pas non plus un état dynamique ressemblant à un liquide. "En réalité, nous avons observé les spins en paires spatialement séparées. Ainsi, nos expériences ont brisé le rêve d'un liquide de spin quantique pour l'instant, au moins pour ce composé, " résume le Pr Martin Dressel, directeur de l'Institut de physique 1.
Mais même si les paires n'ont pas fluctué comme espéré, cet état fondamental exotique de la matière n'a rien perdu de sa fascination pour les physiciens. "Nous voulons étudier si les liquides de spin quantique pourraient être détectables dans d'autres composés de réseau triangulaire ou même dans des systèmes complètement différents tels que les structures en nid d'abeilles", Dressel décrit les prochaines étapes. Cependant, il se pourrait aussi qu'un tel désordonné, l'état dynamique n'existe tout simplement pas dans la nature. Peut-être que chaque type d'interaction conduit d'une manière ou d'une autre à un arrangement régulier si la température est suffisamment basse. Les tours aiment juste s'associer.
