Une nouvelle étude, publiée dans un numéro récent de Nature Physics , met en lumière l’émergence tant attendue de quasiparticules, proches des fameuses particules de Dirac obéissant à l’équation relativiste de Dirac. Il a été théorisé que ces quasiparticules, connues sous le nom de spinons de Dirac, existent dans un nouvel état quantique appelé état liquide de spin quantique.
La découverte est le résultat d'une collaboration entre les physiciens théoriciens Dr Chengkang Zhou et le professeur Zi Yang Meng du Département de physique de l'Université de Hong Kong (HKU), ainsi que les expérimentateurs Zhenyuan Zeng et le professeur Shiliang Li de l'Institut de physique ( IOP), l'Académie chinoise des sciences (CAS) et le professeur Kenji Nakajima du Centre J-PARC, Japon.
Les quasiparticules sont des entités intrigantes qui émergent d’un comportement collectif au sein de matériaux pouvant être traités comme un groupe de particules. Les spinons de Dirac, en particulier, devraient présenter des caractéristiques uniques similaires aux particules de Dirac en physique des hautes énergies et aux électrons de Dirac dans le graphène et les matériaux moirés quantiques, telles qu'une relation de dispersion linéaire entre l'énergie et l'impulsion. Mais de telles quasiparticules neutres en spin ½ charge n'ont pas été observées dans les aimants quantiques avant ces travaux.
""Trouver des spinons de Dirac dans des aimants quantiques a été le rêve de générations de physiciens de la matière condensée ; maintenant que nous en avons vu la preuve, on peut commencer à réfléchir aux innombrables applications potentielles d'un matériau quantique aussi hautement intriqué.
"Qui sait, peut-être qu'un jour les gens construiront des ordinateurs quantiques avec, tout comme ils l'ont fait au cours du dernier demi-siècle avec le silicium", a déclaré le professeur Meng, physicien de la HKU et l'un des auteurs correspondants de l'article. P>
L'enquête de l'équipe s'est concentrée sur un matériau unique connu sous le nom de YCu3. -Br, caractérisé par une structure en réseau kagome conduisant à l'apparition de ces quasi-particules insaisissables.
Des études antérieures avaient fait allusion au potentiel du matériau à présenter un état liquide de spin quantique, ce qui en fait un candidat idéal pour l'exploration. Afin de permettre l'observation de spinons dans YCu3 , l'équipe de recherche a surmonté de nombreux défis en assemblant environ 5 000 monocristaux, répondant ainsi aux exigences pour mener des expériences telles que la diffusion inélastique des neutrons.
Grâce à cette technique avancée, l’équipe a sondé les excitations de spin du matériau et observé d’intrigants modèles de continuum de spin conique, rappelant le cône de Dirac caractéristique. Bien que la détection directe d'un seul spinon se soit révélée difficile en raison des limites expérimentales, l'équipe a comparé ses résultats avec les prédictions théoriques, révélant des caractéristiques spectrales distinctes indiquant la présence de spinons dans le matériau.
Trouver des preuves spectrales des excitations des spinons de Dirac a toujours été un défi. Cette découverte fournit des preuves irréfutables de l'existence d'un état liquide de spin quantique de Dirac, qui peut s'apparenter à un cri clair traversant le brouillard de l'investigation spectrale sur l'état liquide de spin quantique.
Les résultats font non seulement progresser notre compréhension fondamentale de la physique de la matière condensée, mais ouvrent également la porte à une exploration plus approfondie des propriétés et des applications de YCu3. .
Caractérisé par la présence d’excitations fractionnaires de spinons, l’état liquide de spin quantique est potentiellement pertinent pour la supraconductivité à haute température et l’information quantique. Dans cet état, les spins sont fortement enchevêtrés et restent désordonnés même à basse température.
Par conséquent, l’étude des signaux spectraux provenant des spinons obéissant à l’équation de Dirac permettrait de mieux comprendre l’état liquide de spin quantique de la matière. Une telle compréhension sert également de guide vers ses applications plus larges, y compris l'exploration de la supraconductivité à haute température et de l'information quantique.
Plus d'informations : Zhenyuan Zeng et al, Preuve spectrale de spinons de Dirac dans un antiferromagnétique à réseau kagome, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02495-z
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université de Hong Kong
