Des chercheurs de l'Université de Princeton ont mené des expériences sur des matériaux appelés liquides de spin quantique, trouver la preuve que les électrons du régime quantique se comportent comme s'ils étaient constitués de deux particules. Crédit :Catherine Zandonella, université de Princeton
Une nouvelle découverte menée par l'Université de Princeton pourrait bouleverser notre compréhension du comportement des électrons dans des conditions extrêmes dans les matériaux quantiques. La découverte fournit des preuves expérimentales que ce bloc de construction familier de la matière se comporte comme s'il était composé de deux particules :une particule qui donne à l'électron sa charge négative et une autre qui fournit sa propriété d'aimant, connu sous le nom de rotation.
"Nous pensons que c'est la première preuve tangible de la séparation des charges de spin, " dit Nai Phuan Ong, Eugene Higgins, professeur de physique à Princeton et auteur principal de l'article publié cette semaine dans la revue Physique de la nature .
Les résultats expérimentaux répondent à une prédiction faite il y a des décennies pour expliquer l'un des états les plus époustouflants de la matière, le liquide de spin quantique. Dans tous les matériaux, le spin d'un électron peut pointer vers le haut ou vers le bas. Dans l'aimant familier, tous les spins pointent uniformément dans une direction dans tout l'échantillon lorsque la température descend en dessous d'une température critique.
Cependant, dans les matériaux liquides de filage, les spins sont incapables d'établir un modèle uniforme même lorsqu'ils sont refroidis très près du zéro absolu. Au lieu, les vrilles changent constamment de manière étroitement coordonnée, chorégraphie enchevêtrée. Le résultat est l'un des états quantiques les plus intriqués jamais conçus, un état de grand intérêt pour les chercheurs dans le domaine en pleine croissance de l'informatique quantique.
Pour décrire mathématiquement ce comportement, Philip Anderson, physicien de Princeton, lauréat du prix Nobel (1923-2020), qui a prédit pour la première fois l'existence des liquides de spin en 1973, a proposé une explication :dans le régime quantique un électron peut être considéré comme composé de deux particules, l'un portant la charge négative de l'électron et l'autre contenant son spin. Anderson a appelé la particule contenant le spin un spinon.
Dans cette nouvelle étude, l'équipe a recherché des signes du spinon dans un liquide de spin composé d'atomes de ruthénium et de chlore. À des températures d'une fraction de Kelvin au-dessus du zéro absolu (ou environ -452 degrés Fahrenheit) et en présence d'un champ magnétique élevé, les cristaux de chlorure de ruthénium entrent à l'état liquide de spin.
Le color plot 3D, un composite de nombreuses expériences, montre comment la conductivité thermique κxx (axe vertical) varie en fonction du champ magnétique B (axe horizontal) et de la température T (axe dans la page). Les oscillations fournissent des preuves de spinons. Crédit :Peter Czajka, université de Princeton
Étudiant diplômé Peter Czajka et Tong Gao, doctorat 2020, connecté trois thermomètres très sensibles au cristal assis dans un bain maintenu à des températures proches du zéro absolu degrés Kelvin. Ils ont ensuite appliqué le champ magnétique et une petite quantité de chaleur à un bord du cristal pour mesurer sa conductivité thermique, une quantité qui exprime à quel point il conduit un courant de chaleur. Si des spinons étaient présents, ils devraient apparaître comme un motif oscillant dans un graphique de la conductivité thermique en fonction du champ magnétique.
Le signal oscillant qu'ils recherchaient était minuscule (quelques centièmes de degré de changement seulement).
L'équipe a utilisé les cristaux les plus purs disponibles, ceux cultivés au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) sous la direction de David Mandrus, professeur de science des matériaux à l'Université du Tennessee-Knoxville, et Stephen Nagler, directeur de la division matière condensée quantique de l'ORNL. L'équipe de l'ORNL a étudié de manière approfondie les propriétés liquides de spin quantique du chlorure de ruthénium.
Dans une série d'expériences menées sur près de trois ans, Czajka et Gao ont détecté des oscillations de température compatibles avec des spinons avec une résolution de plus en plus élevée, fournissant la preuve que l'électron est composé de deux particules en accord avec la prédiction d'Anderson.
"Les gens recherchent cette signature depuis quatre décennies, " Ong a dit, "Si ce résultat et l'interprétation du spinon sont validés, cela ferait considérablement progresser le domaine des liquides de spin quantique. »
Czajka et Gao ont passé l'été dernier à confirmer les expériences alors qu'ils étaient soumis à des restrictions COVID qui les obligeaient à porter des masques et à maintenir une distance sociale.
"Du côté purement expérimental, " Czajka a dit, "C'était excitant de voir des résultats qui enfreignent en fait les règles que vous apprenez dans les cours de physique élémentaire."
