Grâce à des expériences réalisées sur la source de neutrons BER II et son aimant à haut champ, les chercheurs ont découvert de nouveaux états quantiques dans le matériau SrCu2(BO3)2 soumis à des champs magnétiques extrêmes. En identifiant une phase nématique de spin qui ressemble à la condensation de paires bosoniques de Cooper, cette étude souligne l'utilité de la diffusion des neutrons dans l'exploration d'aspects inconnus des matériaux quantiques, offrant ainsi un aperçu des systèmes complexes à N corps dans des conditions de forte frustration. Crédit : Issues.fr.com
De nouveaux états d’ordre peuvent apparaître dans les matériaux magnétiques quantiques sous l’effet de champs magnétiques. Une équipe internationale a désormais acquis de nouvelles connaissances sur ces états particuliers de la matière grâce à des expériences réalisées avec la source de neutrons berlinoise BER II et son aimant à haut champ. BER II a servi la science jusqu’à fin 2019 et a depuis été fermé. Les résultats des données du BER II sont toujours en cours de publication.
« Nous avons mesuré en novembre 2019, notre expérience était l'une des toutes dernières réalisées sur l'aimant à haut champ du BER », souligne le Dr Ellen Fogh. Le physicien dirige une équipe au Laboratoire de magnétisme quantique de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et a publié de nouvelles connaissances intrigantes sur les matériaux quantiques obtenues en collaboration avec des collègues du Japon, du Qatar et de Suisse.
« De nombreux effets sur la matière ne deviennent visibles que dans des conditions extrêmes, c'est-à-dire des températures proches de zéro Kelvin et des champs magnétiques supérieurs à 20 Tesla », explique-t-elle. L'endroit idéal pour examiner ces effets était la source de neutrons BER II, où une équipe du HZB a mis en place un aimant à haut champ unique, atteignant près de 26 Teslas.
Illustration schématique d'un réseau de spin 2D avec orientation orthogonale des paires de spins. Les paires de magnons liées sont représentées par les moulinets rouge/bleu et vert. Crédit : EPFL
Défis liés à l'interprétation des données
« L'évaluation a pris beaucoup de temps », dit-elle. En effet, les données de diffusion des neutrons ne fournissent pas automatiquement une image, mais doivent être interprétées. Cela nécessite des modèles théoriques convaincants. « Nous avons joué une partie de ping-pong avec une équipe de théoriciens, mais nous avons maintenant des résultats très intéressants. »
Fogh et son équipe ont analysé des échantillons de SrCu2(BO3)2 — un système modèle pour une frustration idéale dans un système de spin bidimensionnel (2D). Il se compose de paires de spins disposées orthogonalement sur un réseau carré et s’influencent mutuellement de différentes manières. Cette géométrie « idéalement frustrée » conduit à de nombreux effets non conventionnels, décrits en termes d’états quantiques intriqués et de leurs excitations (magnons). L'ordre magnétique dans de tels matériaux est généralement décrit comme la condensation de Bose-Einstein (BEC) des magnons.
Physiciens devant l'aimant à haut champ du BER II lors d'une des dernières mesures. Certains membres de l'équipe n'ont pas contribué à cet article (pression ambiante) mais à une prochaine publication sur le comportement du système modèle sous haute pression. Noms de gauche à droite : Koji Munakata, Kazuhisa Kakurai, Gaétan Giriat, Luc Testa, Jana Pásztorová, Ellen Fogh et Henrik M. Rønnow. Crédit : EPFL/HZB
« Nous voulions savoir si ce magnon BEC se produit également dans notre système modèle à des champs magnétiques élevés, ou s'il existe un mécanisme alternatif », explique Fogh. L'expérience de diffusion de neutrons à l'aimant à haut champ de BER II était parfaitement adaptée à cet effet : « Nous avons pu mesurer les excitations de spin du SrCu2(BO3)2 jusqu'à 25,9 T et reproduisent les spectres expérimentaux avec une haute précision en utilisant des modèles théoriques. Les expériences ont eu lieu à pression ambiante et à des températures proches de zéro absoluà 200 millikelvins.
L'analyse et l'interprétation des données de mesure montrent qu'une phase nématique de spin se forme sous ces champs magnétiques extrêmement élevés. Au lieu de magnons simples, ce sont des paires de magnons liées qui se condensent dans cette phase. Il existe même une analogie avec la supraconductivité, suggérant que la phase nématique de spin dans SrCu2(BO3)2 est mieux compris comme un condensat de paires bosoniques de Cooper.
Les résultats montrent que les expériences de diffusion de neutrons dans des champs magnétiques extrêmement élevés peuvent être utilisées pour explorer des régions de la matière jusque-là inconnues, en particulier les phases corrélées des systèmes à N corps. « Dans des conditions de forte frustration et d’extrêmes contrôlés, de nombreux nouveaux états et ordres peuvent encore être trouvés », conclut Fogh.
