Les matériaux avancés avec des propriétés plus nouvelles sont presque toujours développés en ajoutant plus d'éléments à la liste des ingrédients. Mais la recherche quantique suggère que certains matériaux plus simples pourraient déjà avoir des propriétés avancées que les scientifiques ne pouvaient tout simplement pas voir, jusqu'à maintenant.

Des chercheurs de Georgia Tech et de l'Université du Tennessee-Knoxville ont découvert un comportement quantique caché et inattendu dans un matériau d'iodure de fer plutôt simple (FeI 2 ) découvert il y a près d'un siècle. Les nouvelles informations de recherche sur le comportement du matériau ont été rendues possibles grâce à une combinaison d'expériences de diffusion de neutrons et de calculs de physique théorique au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE).

Les découvertes de l'équipe—publiées dans la revue Physique de la nature – résout un casse-tête vieux de 40 ans sur le comportement mystérieux du matériau et pourrait être utilisé comme carte pour débloquer un trésor de phénomènes quantiques dans d'autres matériaux.

"Notre découverte a été motivée en grande partie par la curiosité, " dit Xiaojian Bai, le premier auteur de l'article. Bai a obtenu son doctorat. à Georgia Tech et travaille comme chercheur postdoctoral à l'ORNL, où il utilise des neutrons pour étudier les matériaux magnétiques. "Je suis tombé sur ce matériau d'iodure de fer en 2019 dans le cadre de mon projet de thèse de doctorat. J'essayais de trouver des composés avec un arrangement de réseau triangulaire magnétique qui présente ce qu'on appelle un" magnétisme frustré "."

Dans les aimants communs, comme des aimants pour réfrigérateur, les électrons du matériau sont disposés en ligne comme des flèches qui pointent tous dans la même direction - vers le haut ou vers le bas - ou ils alternent entre le haut et le bas. Les directions pointées par les électrons sont appelées « spins ». Mais dans des matériaux plus complexes comme l'iodure de fer, les électrons sont disposés dans une grille triangulaire, dans lequel les forces magnétiques entre les trois moments magnétiques sont en conflit et ne savent pas dans quelle direction pointer - par conséquent, 'magnétisme frustré.'

"Alors que je lisais toute la littérature, J'ai remarqué ce composé, iodure de fer, découvert en 1929 et étudié de manière assez intensive dans les années 1970 et 1980, " dit Bai. " A l'époque, ils ont vu une particularité, ou des comportements non conventionnels, mais ils n'avaient pas vraiment les ressources pour bien comprendre pourquoi ils le voyaient. Donc, nous savions qu'il y avait quelque chose de non résolu qui était étrange et intéressant, et comparé à il y a quarante ans, nous disposons d'outils expérimentaux beaucoup plus puissants, nous avons donc décidé de réexaminer ce problème et espérions fournir de nouvelles informations. »

Les matériaux quantiques sont souvent décrits comme des systèmes qui présentent un comportement exotique et désobéissent aux lois classiques de la physique, comme un matériau solide qui se comporte comme un liquide, avec des particules qui se déplacent comme de l'eau et refusent de geler ou arrêtent leur mouvement même à des températures glaciales. Comprendre le fonctionnement de ces phénomènes exotiques, ou leurs mécanismes sous-jacents, est la clé pour faire progresser l'électronique et développer d'autres technologies de nouvelle génération.

« Dans les matériaux quantiques, deux choses sont d'un grand intérêt :les phases de la matière comme les liquides, solides, et des gaz, et les excitations de ces phases, comme des ondes sonores. De la même manière, les ondes de spin sont des excitations d'un matériau solide magnétique, " a déclaré Martin Mourigal, professeur de physique à Georgia Tech. "Pendant longtemps, notre quête dans les matériaux quantiques a été de trouver des phases exotiques, mais la question que nous nous sommes posée dans cette recherche est "Peut-être que la phase elle-même n'est pas apparemment exotique, mais si ses excitations étaient ? Et en effet, c'est ce que nous avons trouvé."

Les neutrons sont des sondes idéales pour étudier le magnétisme car ils agissent eux-mêmes comme des aimants microscopiques et peuvent être utilisés pour interagir avec et exciter d'autres particules magnétiques sans compromettre la structure atomique d'un matériau.

Bai a été initié aux neutrons lorsqu'il était étudiant diplômé de Mourigal à Georgia Tech. Mourigal est un utilisateur fréquent de la diffusion de neutrons au réacteur à isotope à haut flux (HFIR) et à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL depuis plusieurs années, en utilisant les installations des utilisateurs du DOE Office of Science pour étudier un large éventail de matériaux quantiques et leurs comportements divers et bizarres.

Lorsque Bai et Mourigal ont exposé le matériau d'iodure de fer à un faisceau de neutrons, ils s'attendaient à voir une excitation ou une bande d'énergie particulière associée à un moment magnétique à partir d'un seul électron; mais à la place ils n'en virent pas un, mais deux fluctuations quantiques différentes émanant simultanément.

"Les neutrons nous ont permis de voir très clairement cette fluctuation cachée et nous avons pu mesurer tout son spectre d'excitation, mais nous ne comprenions toujours pas pourquoi nous observions un comportement aussi anormal dans une phase apparemment classique, " dit Bai.

Pour les réponses, ils se sont tournés vers le physicien théoricien Cristian Batista, Professeur titulaire de la chaire Lincoln à l'Université du Tennessee-Knoxville, et directeur adjoint du Shull Wollan Center de l'ORNL, un institut conjoint pour les sciences neutroniques qui fournit aux chercheurs invités des ressources et une expertise supplémentaires en matière de diffusion des neutrons.

Avec l'aide de Batista et de son groupe, l'équipe a pu modéliser mathématiquement le comportement de la mystérieuse fluctuation quantique et, après avoir réalisé des expériences neutroniques supplémentaires avec les instruments CORELLI et SEQUOIA au SNS, ils ont pu identifier le mécanisme qui la faisait apparaître.

"Ce que la théorie a prédit et ce que nous avons pu confirmer avec les neutrons, est que cette fluctuation exotique se produit lorsque la direction de spin entre deux électrons est inversée, et leurs moments magnétiques s'inclinent dans des directions opposées, " dit Batista. " Quand les neutrons interagissent avec les spins des électrons, les spins tournent en synchronicité le long d'une certaine direction dans l'espace. Cette chorégraphie déclenchée par la diffusion de neutrons crée une onde de spin."

Il a expliqué que dans différents matériaux, les spins électroniques peuvent prendre de nombreuses orientations et chorégraphies de spin différentes qui créent différents types d'ondes de spin. En mécanique quantique, ce concept est connu sous le nom de "dualité onde-particule, " où les nouvelles ondes sont considérées comme de nouvelles particules et sont généralement cachées à la diffusion des neutrons dans des conditions normales.

« Dans un sens, nous recherchons des particules sombres, " ajouta Batista. " Nous ne pouvons pas les voir, mais nous savons qu'ils sont là parce que nous pouvons voir leurs effets, ou les interactions qu'ils ont avec les particules que nous pouvons voir."

« En mécanique quantique, il n'y a pas de distinction entre les ondes et les particules. Nous comprenons le comportement de la particule en fonction de la longueur d'onde, et c'est ce que les neutrons nous permettent de mesurer, " dit Bai.

Mourigal a comparé la façon dont les neutrons détectent les particules aux vagues se brisant autour des rochers à la surface de l'océan.

"Dans l'eau calme, nous ne pouvons pas voir les rochers au fond de l'océan jusqu'à ce qu'une vague se déplace dessus, " dit Mourigal. " Ce n'est qu'en créant autant d'ondes que possible avec des neutrons que, à travers la théorie de Cristian, Xiaojian a pu identifier les rochers, ou dans ce cas, les interactions qui rendent visible la fluctuation cachée.

L'exploitation du comportement magnétique quantique a déjà conduit à des avancées technologiques telles que la machine IRM et le stockage sur disque dur magnétique qui ont catalysé l'informatique personnelle. Des matériaux quantiques plus exotiques pourraient accélérer la prochaine vague technologique.

En plus de Bai, Mourigal, et Batista, les auteurs de l'article incluent Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthieu Pierre, Alexandre Kolesnikov, et Feng Ye.

Depuis leur découverte, l'équipe a utilisé ces informations pour développer et tester des prédictions dans un ensemble plus large de matériaux qui devraient donner des résultats plus prometteurs.

« Au fur et à mesure que nous introduisons plus d'ingrédients dans un matériau, nous augmentons également les problèmes potentiels tels que le désordre et les hétérogénéités. Si nous voulons vraiment comprendre et créer des systèmes de mécanique quantique propres à base de matériaux, revenir à ces systèmes simples pourrait être plus important que nous le pensions, " dit Mourigal.

"Cela résout donc l'énigme vieille de 40 ans de la mystérieuse excitation dans l'iodure de fer, " a déclaré Bai. "Nous avons aujourd'hui l'avantage des progrès des installations neutroniques à grande échelle comme le SNS qui nous permettent de sonder tout l'espace d'énergie et de quantité de mouvement d'un matériau pour voir ce qui se passe avec ces excitations exotiques.

"Maintenant que nous comprenons comment fonctionne ce comportement exotique dans un matériau relativement simple, nous pouvons imaginer ce que nous pourrions trouver dans les plus compliqués. Cette nouvelle compréhension nous a motivés et j'espère qu'elle motivera la communauté scientifique à étudier plus de ces types de matériaux, ce qui conduira sûrement à une physique plus intéressante. »