Des chercheurs sud-coréens ont fait une découverte révolutionnaire en observant directement des quadripôles de spin dans une phase nématique de spin à l’aide de techniques avancées de rayons X et d’optique. Cette réussite dans l’étude de Sr2IrO4 ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine de l’informatique quantique et de la recherche sur la supraconductivité à haute température.
La « phase nématique de spin », un analogue magnétique du cristal liquide, a été observée pour la première fois dans un système de spin quantique.
Les cristaux liquides représentent un état unique de la matière, combinant les caractéristiques des liquides et des solides. Il possède la capacité de s’écouler de la même manière qu’un liquide, mais ses molécules maintiennent un alignement semblable à celui des solides. Les cristaux liquides sont aujourd’hui largement utilisés, par exemple comme élément central des appareils LCD. L’analogue magnétique de ce type de matériau est appelé « phase nématique de spin », où les moments de spin jouent le rôle des molécules.
Cependant, malgré sa prédiction il y a un demi-siècle, elle n’a pas encore été observée directement. Le principal défi vient du fait que la plupart des techniques expérimentales conventionnelles sont insensibles aux quadripôles de spinqui sont les caractéristiques déterminantes de cette phase nématique de spin.
Percée dans l’observation de phase spin-nématique
Mais pour la première fois au monde, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Kim Bumjoon du Centre IBS pour les systèmes électroniques artificiels de basse dimension en Corée du Sud a réussi à observer directement les quadripôles de spin. Ce travail a été rendu possible grâce aux réalisations remarquables réalisées au cours des dernières décennies dans le développement des installations synchrotron.
Faites tourner un demi-instant sur un réseau carré. En plus de l’ordre antiferromagnétique classique (AF classique), les moments de spin peuvent avoir divers états fondamentaux magnétiques, tels que la superposition de configurations spin-singulet (liaison de valence résonante ; RVB) ou antiferromagnétique avec de grandes fluctuations quantiques (AF quantique). Dans l’oxyde d’iridium Sr2IrO4, des moments quadripolaires de spin coexistent avec un ordre antiferromagnétique incliné. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Les chercheurs de l’IBS ont concentré leur étude sur l’oxyde d’iridium à réseau carré Sr2IrO4, un matériau précédemment reconnu pour son ordre dipolaire antiferromagnétique à basse température. Cette étude vient de découvrir la coexistence d’un ordre quadripolaire de spin, qui devient observable grâce à son interférence avec l’ordre magnétique. Ce signal d’interférence a été détecté par « diffraction des rayons X à résonance circulaire-dichroïque », une technique de rayons X avancée utilisant un faisceau de rayons X à polarisation circulaire.
Techniques avancées et collaborations
Une vérification plus approfondie de cette découverte a été réalisée grâce à la «diffusion inélastique résonante des rayons X résolue en polarisation», où les excitations magnétiques se sont révélées s’écarter considérablement des comportements attendus pour les personnes en
Interférence dipolaire-quadrupolaire dans la diffraction des rayons X résonante dichroïque circulaire. (a) Les moments quadripolaires de spin se forment à une température plus élevée (263 K) que les moments magnétiques (230 K). (b, c) À basses températures, l’interférence entre le quadripôle de spin et les moments magnétiques se manifeste par une diffraction des rayons X résonante dichroïque circulaire, une différence de signal magnétique entre les faisceaux de rayons X gauche et droit. Crédit : Institut des sciences fondamentales
aimants conventionnels. Pour mener à bien ces expériences, les chercheurs sud-coréens ont collaboré avec le laboratoire national d’Argonne aux États-Unis pour construire une ligne de lumière à diffusion inélastique résonnante des rayons X au laboratoire de l’accélérateur de Pohang au cours des quatre dernières années.
Enfin, les chercheurs ont utilisé une série de techniques optiques, notamment la spectroscopie Raman et la mesure magnéto-optique de l’effet Kerr, pour montrer que la formation des moments quadripolaires de spin se produit à des températures plus élevées que l’ordre magnétique. Dans cette plage de température, l’oxyde d’iridium n’a que des moments quadripolaires de spin mais aucun ordre magnétique, réalisant une phase nématique de spin.
Dans l’ensemble, il s’agit de la première observation directe des moments quadripolaires de spin dans une phase nématique de spin.
(a, b) Dessin (a) et photographie (b) du spectromètre à diffusion inélastique résonnant des rayons X installé sur la ligne de lumière 1C du PLS-II. Crédit : Institut des sciences fondamentales
« Cette recherche était réalisable parce que l’infrastructure et les capacités des expériences aux rayons X en Corée du Sud avaient atteint un niveau compétitif à l’échelle mondiale », explique le professeur Kim Bumjoon, auteur correspondant de cette étude.
« La découverte de la phase spin-nématique a également des implications significatives pour l’informatique quantique et technologies de l’information », ajoute le professeur Cho Gil Young, co-auteur de cette étude et professeur à l’Université des sciences et technologies de Pohang.
Un autre aspect intéressant de la phase nématique de spin est son potentiel de supraconductivité à haute température. Dans la phase nématique de spin, les spins sont fortement intriqués, ce qui a été suggéré par le physicien PW Anderson comme étant un ingrédient clé de la supraconductivité à haute température. De plus, étant donné que l’oxyde d’iridium Sr2IrO4 a été largement étudié en raison de ses similitudes frappantes avec le système supraconducteur à haute température à l’oxyde de cuivre, ce qui alimente un intérêt croissant pour ce matériau en tant que nouveau système supraconducteur à haute température potentiellement, ainsi que sa relation avec la phase nématique de spin.
L’étude a été financée par l’Institut des sciences fondamentales.
