Liquide à spin quantique : Les physiciens détectent un nouvel état quantique de la matière dans un matériau 2D Physique

Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par le Dr Arnab Banerjee du Oak Ridge National Laboratory, a trouvé la preuve d’un état mystérieux de la matière – appelé liquide de spin quantique – dans un matériau 2D.

L'excitation d'un liquide de spin sur un réseau en nid d'abeille avec des neutrons. Crédit image : Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory.

L’excitation d’un liquide de spin sur un réseau en nid d’abeille avec des neutrons. Crédit image : Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory.

Ce nouvel état, prédit pour la première fois il y a plus de quatre décennies, provoque la rupture des électrons en morceaux.

Le Dr. Banerjee et ses co-auteurs ont mesuré les premières signatures de ces particules fractionnées, connues sous le nom de fermions de Majorana, dans un matériau 2D dont la structure est similaire à celle du graphène.

Leurs résultats expérimentaux, rapportés dans le journal Nature Materialscorrespondent à l’un des principaux modèles théoriques pour un liquide de spin quantique, connu sous le nom de modèle de Kitaev.

Selon l’équipe, “les liquides de spin quantiques sont des états mystérieux de la matière qui sont censés se cacher dans certains matériaux magnétiques, mais qui n’ont pas été observés de manière concluante dans la nature. L’observation de l’une de leurs propriétés les plus intrigantes – le fractionnement – dans des matériaux réels constitue une percée.”

“Il s’agit d’un nouvel état quantique de la matière, qui a été prédit mais n’a pas été vu auparavant”, a déclaré le co-auteur, le Dr Johannes Knolle, du Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni.

Dans un matériau magnétique typique, les électrons se comportent chacun comme de minuscules barreaux magnétiques. Et lorsqu’un matériau est refroidi à une température suffisamment basse, les “aimants” s’ordonnent sur de longues distances, de sorte que tous les pôles magnétiques nord pointent dans la même direction, par exemple.

Mais dans un matériau contenant un état liquide de spin, même si ce matériau est refroidi au zéro absolu, les barreaux magnétiques ne s’aligneront pas mais formeront une soupe enchevêtrée causée par les fluctuations quantiques.

“Jusqu’à récemment, nous ne savions même pas à quoi ressembleraient les empreintes expérimentales d’un liquide de spin quantique”, a déclaré le Dr Dmitry Kovrizhin, co-auteur, également du Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge.

“Une chose que nous avons faite dans des travaux précédents est de demander, si je faisais des expériences sur un possible liquide de spin quantique, qu’est-ce que j’observerais ?”.

Les physiciens ont utilisé des techniques de diffusion de neutrons pour rechercher des preuves expérimentales de fractionnement dans le chlorure d’alpha-ruthénium (a-RuCl3).

Ils ont testé les propriétés magnétiques de la poudre d’a-RuCl3 en l’illuminant avec des neutrons, et en observant le motif des ondulations que les neutrons produisaient sur un écran lorsqu’ils étaient diffusés par l’échantillon.

Un aimant ordinaire créerait des lignes nettes et distinctes, mais le type de motif que les fermions de Majorana dans un liquide de spin quantique produiraient était un mystère.

La prédiction théorique de signatures distinctes correspond bien aux larges bosses au lieu de lignes nettes que les scientifiques ont observées sur l’écran, fournissant pour la première fois la preuve directe d’un liquide de spin quantique et du fractionnement des électrons dans un matériau 2D.

“C’est un nouvel ajout à la courte liste des états quantiques connus de la matière”, a déclaré le Dr Knolle.

“C’est une étape importante pour notre compréhension de la matière quantique. C’est amusant d’avoir un autre nouvel état quantique que nous n’avons jamais vu auparavant – cela nous offre de nouvelles possibilités pour essayer de nouvelles choses”, a ajouté le Dr Kovrizhin.

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