Dans le monde mystérieux des matériaux quantiques, les choses ne se comportent pas toujours comme prévu. Ces matériaux ont des propriétés uniques régies par les règles de la mécanique quantique, ce qui signifie souvent qu'ils peuvent effectuer des tâches que les matériaux traditionnels ne peuvent pas accomplir (comme conduire l'électricité sans perte) ou avoir des propriétés magnétiques qui peuvent s'avérer utiles dans les technologies avancées.
Certains matériaux quantiques sont parcourus par de minuscules ondes magnétiques appelées magnons, qui se comportent de manière déroutante. Comprendre les magnons nous aide à percer les secrets du fonctionnement des aimants à un niveau microscopique, ce qui est crucial pour la prochaine génération d'électronique et d'ordinateurs.
Les scientifiques ont étudié comment ces magnons agissent sous des champs magnétiques puissants, et ils pensaient savoir à quoi s’attendre – jusqu’à présent. Dans une nouvelle étude dans Nature Communications , des chercheurs dirigés par Henrik Rønnow et Frédéric Mila de l'EPFL ont dévoilé un nouveau comportement inattendu du borate de cuivre et de strontium, un matériau quantique, SrCu2 (BO3 )2 . L'étude remet en question notre compréhension actuelle de la physique quantique, mais fait également allusion à des possibilités passionnantes pour les technologies futures.
Mais pourquoi ce matériau ? Les détails sont assez techniques, mais SrCu2 (BO3 )2 est important dans le domaine des matériaux quantiques car il s'agit du seul exemple réel connu du « modèle Shastry-Sutherland », un cadre théorique pour comprendre les structures où l'arrangement et les interactions des atomes les empêchent de s'installer dans un état simple et ordonné. .
Ces structures sont connues sous le nom de « réseaux hautement frustrés » et confèrent souvent au matériau quantique des comportements et des propriétés complexes et inhabituelles. Ainsi, la structure unique de SrCu2 (BO3 )2 en fait un candidat idéal pour étudier les phénomènes et transitions quantiques complexes.
Diffusion des neutrons et champs magnétiques massifs
Pour étudier les magnons dans SrCu2 (BO3 )2 , les scientifiques ont utilisé une technique appelée diffusion de neutrons. Essentiellement, ils ont tiré des neutrons sur le matériau et ont mesuré leurs déviations par rapport à celui-ci. La diffusion des neutrons est particulièrement efficace dans l'étude des matériaux magnétiques, car les neutrons, étant de charge neutre, peuvent déchiffrer le magnétisme sans être perturbés par la charge des électrons et des noyaux dans le matériau.
Ce travail a été réalisé dans l'installation de diffusion de neutrons à champ élevé du Helmholtz-Zentrum Berlin, capable de sonder des champs allant jusqu'à 25,9 Tesla, ce qui en fait un niveau d'étude du champ magnétique sans précédent, qui a permis aux scientifiques d'observer le comportement des magnons. directement.
Ils ont ensuite combiné les données avec des calculs « matrice-produit-états du cylindre », une méthode de calcul puissante qui a permis de confirmer les observations expérimentales de la diffusion des neutrons et de comprendre les comportements quantiques bidimensionnels du matériau.
Cette approche unique a révélé quelque chose de surprenant :au lieu de se comporter comme des unités uniques et indépendantes - comme prévu - les magnons du matériau se sont associés, formant des "états liés" - comme s'ils s'associaient pour danser au lieu de se lancer en solo.
Cet appariement inhabituel conduit à un nouvel état quantique inattendu qui a des implications sur les propriétés du matériau :la « phase nématique de spin ». Pensez-y comme aux aimants sur un réfrigérateur :normalement, ils pointent vers le nord ou le sud (c'est la rotation), mais cette nouvelle phase ne concerne pas la direction vers laquelle ils pointent, mais plutôt la façon dont ils s'alignent les uns avec les autres, créant un motif unique.
Cette découverte révèle un comportement des matériaux magnétiques jamais observé auparavant. Cette découverte d'une règle cachée dans la physique quantique pourrait nous conduire à de nouvelles façons d'utiliser les matériaux magnétiques pour les technologies quantiques auxquelles nous n'avions même pas encore pensé.
Plus d'informations : Ellen Fogh et al, Condensation à l'état lié induite par le champ et phase nématique de spin dans SrCu2 (BO3 )2 révélé par diffusion de neutrons jusqu'à 25,9 T, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-023-44115-z
Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
