Ce n’est pas tous les jours qu’un nouvel état de la matière est découvert en physique quantique, la branche de la science qui étudie le comportement des particules atomiques et subatomiques pour mieux comprendre leurs caractéristiques. C’est pourtant ce qu’a fait une équipe internationale de chercheurs. L’équipe a découvert pour la première fois un nouvel état quantique de la matière. Dans une substance magnétique appelée Ce2Zr2O7, qui est composée de cérium, de zirconium et d’oxygène, l’équipe a découvert un “état fondamental liquide de spin quantique”. Le spin est une caractéristique importante en physique quantique qui influence l’ordre des électrons.
Le spin provoque une structure désorganisée comparable à celle des molécules dans certains matériaux, d’où le terme “liquide de spin”. Comme la direction du spin continue à fluctuer lorsque le matériau se refroidit, les liquides de spin restent désorganisés. Ce phénomène est aussi stabilisant à l’état solide que dans un aimant classique, où tous les spins sont alignés.
La recherche a été menée par Andrea Bianchi, professeur de physique à l’Université de Montréal, et ses étudiants Avner Fitterman et Jeremi Dudemaine. Les chercheurs ont documenté leur étude dans la revue scientifique Physical Review X.
Plus la température du matériau augmente, plus il est désorganisé. Les liquides de spin, en revanche, ont la propriété de rester désorganisés même lorsqu’ils sont refroidis au zéro absolu (-273°C / -459,67°F).
Contrairement aux aimants traditionnels, les électrons des liquides de spin quantiques sont disposés en un treillis triangulaire et forment un “ménage à trois” avec de fortes turbulences qui perturbent leur ordre. Il n’y a pas d’ordre magnétique en raison de la fonction d’onde enchevêtrée. En revanche, les spins des électrons sont tous orientés dans la même direction dans les aimants traditionnels, formant une phase ferromagnétique.
Bianchi a déclaré que les spins des électrons ne peuvent pas s’aligner lorsqu’un troisième électron est introduit car les deux électrons environnants doivent toujours avoir des spins opposés, ce qui provoque une frustration magnétique. Même à très basse température, cela génère des excitations qui préservent le désordre des spins et donc, l’état liquide.
En ce qui concerne le Ce2Zr2O7, M. Bianchi a déclaré que, bien que l’existence de ce composé soit connue, leur percée a consisté à le créer sous une forme exceptionnellement pure. Les chercheurs ont utilisé des échantillons fondus dans un four optique pour produire une disposition triangulaire quasi parfaite des atomes et ont ensuite vérifié l’état quantique.
Bianchi a ajouté que leurs résultats ont révélé une fonction de particule chevauchante – donc aucun pic de Bragg – indiquant clairement l’absence d’ordre magnétique classique. Ils ont également remarqué une distribution de spin avec des directions changeant constamment, ce qui est typique des liquides de spin et de la frustration magnétique. Cela montre qu’à basse température, le matériau produit se comporte comme un véritable liquide de spin.
Les scientifiques ont confirmé qu’ils étaient témoins d’un état quantique jamais vu auparavant après avoir vérifié leurs observations à l’aide de simulations informatiques.
