Un liquide de spin quantique est un état de la matière où les spins d’électrons non appariés, bien qu’enchevêtrés, ne présentent pas d’ordre magnétique, même à la température zéro. La réalisation d’un liquide de spin quantique est un objectif recherché depuis longtemps en physique. Dans un article publié dans la revue Nature Physicsdes physiciens de l’université Rice et d’autres universités montrent que le pyrochlore de cérium et de zirconium (Ce2Zr2O7), sous sa forme monocristalline, possède les caractéristiques nécessaires pour être considérée comme la première version 3D possible d’un liquide de spin quantique.
Représentation 3D du continuum d’excitation de spin – une caractéristique possible d’un liquide de spin quantique – observé dans un échantillon monocristallin de pyrochlore de cérium et de zirconium. Crédit image : Tong Chen / Rice University.
En 1973, le physicien Philip Anderson, lauréat du prix Nobel, a proposé l’idée de liquides de spins quantiques en se basant sur le fait que l’arrangement géométrique des atomes dans certains cristaux pourrait rendre impossible l’orientation collective des spins enchevêtrés dans des arrangements stables.
La possibilité que les liquides de spin quantiques puissent expliquer la supraconductivité à haute température a suscité un grand intérêt parmi les physiciens de la matière condensée depuis les années 1980, et cet intérêt a encore augmenté lorsqu’il a été suggéré que certains exemples de liquides de spin quantiques dits topologiques pourraient se prêter à la construction de qubits pour l’informatique quantique.
“Un liquide de spin quantique est quelque chose que les scientifiques définissent sur la base de ce qu’ils ne voient pas”, a déclaré l’auteur principal, le Dr Pengcheng Dai, membre du Center for Quantum Materials de l’université Rice.
“Vous ne voyez pas d’ordre à longue portée dans l’arrangement des spins. On ne voit pas de désordre. Et d’autres choses encore. Ce n’est pas ceci. Ce n’est pas ça. Il n’y a pas d’identification positive concluante.”
Les échantillons de l’équipe sont considérés comme les premiers de leur genre : (i) des pyrochlores en raison de leur rapport de 2 à 2 à 7 entre le cérium, le zirconium et l’oxygène, et (ii) des monocristaux parce que les atomes à l’intérieur sont disposés en un réseau continu et ininterrompu.
“Nous avons fait toutes les expériences auxquelles nous pouvions penser sur ce composé”, a déclaré le Dr Dai.
Les physiciens ont observé que le matériau ne subissait aucune transition de phase jusqu’à 50 mK (millikelvin), et qu’il n’y avait aucun désordre dans le cristal.
Dans des expériences de relaxation du spin du muon, ils ont démontré l’absence d’ordre magnétique à longue portée jusqu’à 20 mK.
Dans les expériences de diffraction, ils ont montré que l’échantillon n’avait pas de vacance d’oxygène ou d’autres défauts connus.
Enfin, ils ont effectué une diffusion inélastique de neutrons qui a montré la présence d’un continuum d’excitation de spin – qui pourrait être une caractéristique des liquides de spin quantiques – jusqu’à 35 mK.
“Malgré nos efforts, il est impossible d’affirmer définitivement Ce2Zr2O7 est un liquide de spin, en partie parce que les physiciens ne se sont pas encore mis d’accord sur la preuve expérimentale nécessaire pour faire cette déclaration, et en partie parce que la définition d’un liquide de spin quantique est un état qui existe à la température du zéro absolu, un idéal hors de portée de toute expérience”, ont déclaré les chercheurs.
