Les systèmes quantiques purs peuvent subir des transitions de phase analogues à la transition de phase classique entre les états liquide et gazeux de l'eau. Au niveau quantique, cependant, les rotations des particules dans les états qui émergent des transitions de phase présentent un comportement collectif enchevêtré. Cette observation inattendue offre une nouvelle voie pour la production de matériaux aux propriétés topologiques utiles dans les applications de la spintronique et de l'informatique quantique.

La découverte a été faite par une collaboration internationale dirigée par Julio Larrea, professeur à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil. Larrea est le premier auteur d'un article sur l'étude publié dans La nature .

"Nous avons obtenu la première preuve expérimentale d'une transition de phase quantique de premier ordre dans un système quasi-bidimensionnel composé entièrement de spins. C'était une étude révolutionnaire en termes de développement expérimental et d'interprétation théorique, " a déclaré Larrea.

Pour comprendre la signification de cette découverte, cela aidera à examiner la transition de phase classique, qui peut être illustré par le changement de l'état de l'eau, et son analogique quantique, illustré par la transition métal-isolant de Mott.

"Le changement de l'état de l'eau, qui se produit à 100 °C sous pression atmosphérique normale, est ce que nous appelons une transition du premier ordre. Elle se caractérise par un saut discontinu de densité moléculaire. En d'autres termes, le nombre de molécules d'eau par unité de volume varie drastiquement d'un état à l'autre, " Larrea a déclaré. "Cette transition discontinue du premier ordre évolue en fonction de la pression et de la température jusqu'à ce qu'elle soit complètement supprimée au point dit critique de l'eau, qui se produit à 374 °C et 221 bar. Au point critique, la transition est du second ordre, c'est-à-dire continu."

Au voisinage du point critique, les propriétés de l'eau se comportent de manière anormale, car les fluctuations de densité sont infiniment corrélées à l'échelle de longueur atomique. Par conséquent, le matériau manifeste un état unique qui diffère à la fois d'un gaz et d'un liquide (voir Figure 1).

« En matière quantique, la transition métal-isolant de Mott est un exemple rare de transition du premier ordre. Contrairement aux métaux ordinaires et aux isolants, qui ont des électrons libres qui n'interagissent pas, un état de Mott implique une interaction forte entre les charges électroniques, configurer les comportements collectifs, " expliqua Larrea. " Les échelles d'énergie de ces interactions sont très basses, donc une transition de phase quantique du premier ordre entre un métal et un isolant peut se produire au zéro absolu, qui est la température la plus basse possible. L'interaction entre les charges varie avec la température et la pression jusqu'à ce qu'elle soit supprimée au point critique. A l'approche du point critique, densité de charge volumique, qui est la quantité de charge par unité de volume, subit un changement si brusque qu'il peut induire de nouveaux états de la matière tels que la supraconductivité."

Dans les deux exemples cités, les phénomènes impliquent des particules massives telles que des molécules d'eau et des électrons. La question posée par les chercheurs était de savoir si le concept de transition de phase pouvait être étendu aux systèmes quantiques sans masse, comme un système composé uniquement de spins (comprise comme une manifestation quantique de la matière associée à des états magnétiques). Une situation de ce genre n'avait jamais été observée auparavant.

"Le matériau que nous avons utilisé était un antiferromagnétique quantique frustré SrCu 2 (BO 3 ) 2 , " Larrea a déclaré. "Nous avons mesuré la chaleur spécifique de petits échantillons dans des conditions de température extrêmes simultanément [à 0,1 kelvin], pression [à 27 kilobar] et champ magnétique [à 9 tesla]. La chaleur spécifique est une propriété physique qui nous donne une mesure de l'énergie interne dans le système, et à partir de là, on peut en déduire différents types d'états quantiques ordonnés ou désordonnés, et les états électroniques possibles ou les états de spin intriqués."

L'obtention de ces mesures avec la précision requise pour révéler des états quantiques corrélés, en utilisant des échantillons soumis à des températures extrêmement basses, hautes pressions et champs magnétiques puissants, était un formidable défi expérimental, selon Larrea. Les expériences ont été réalisées à Lausanne, La Suisse, au Laboratoire de Magnétisme Quantique de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (LQM-EPFL), dirigé par Henrik Rønnow. La précision des mesures a motivé les collaborateurs théoriques, animé par Frédéric Mila (EPFL) et Philippe Corboz (Université d'Amsterdam), développer des méthodes de calcul de pointe permettant d'interpréter les différentes anomalies observées.

"Nos résultats ont montré des manifestations inattendues de transitions de phase quantiques dans les systèmes de spin purs, " dit Larrea. " D'abord, nous avons observé une transition de phase quantique entre deux types différents d'états de spin intriqués, l'état dimère [spins corrélés à deux sites atomiques] et l'état plaquette [spins corrélés à quatre sites atomiques]. Cette transition du premier ordre se termine au point critique, à une température de 3,3 kelvin et une pression de 20 kilobar. Bien que les points critiques de l'eau et le SrCu 2 (BO 3 ) 2 système de spin ont des caractéristiques similaires, les états qui émergent près du point critique du système de spin sont conformes à une description différente de la physique, du type Ising." Le terme Ising fait référence à un modèle de mécanique statistique nommé d'après le physicien allemand Ernst Ising (1900-98).

"Nous avons également observé que ce point critique présente une discontinuité dans la densité des particules magnétiques, avec des triplets ou des états corrélés dans différentes configurations d'orientation de spin, conduisant à l'émergence d'un état antiferromagnétique purement quantique, " a déclaré Larrea (voir Figure 2).

La prochaine étape pour Larrea est d'en savoir plus sur la criticité et les états de spin intriqués qui émergent à proximité du point critique, la nature des transitions de phases quantiques discontinues et continues, et les échelles d'énergie qui représentent les interactions et les corrélations entre les spins électroniques et les charges conduisant à des états quantiques tels que la supraconductivité. "À cette fin, nous prévoyons de réaliser une étude avec des pressions autour du point critique et des pressions plus élevées, " dit-il. Une nouvelle installation, le Laboratoire de la matière quantique en conditions extrêmes (LQMEC), est mis en place à cet effet en collaboration avec Valentina Martelli, professeur au Département de physique expérimentale de l'IF-USP.