Les quasiparticules, comme les spinons de Dirac, émergent du comportement collectif des matériaux et présentent des caractéristiques uniques, telles qu'une relation énergie-impulsion linéaire, mais n'avaient pas été observées jusqu'à présent dans les aimants quantiques. Les chercheurs de HKU ont trouvé des preuves de ces spinons dans YCu3-Br, un matériau doté d'un réseau kagome, en utilisant des techniques avancées pour surmonter d'importants défis expérimentaux. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs de HKU ont découvert des spinons de Dirac dans le matériau YCu3-Br, fournissant ainsi la preuve d'un état liquide de spin quantique et faisant potentiellement progresser les applications dans l'informatique quantique et supraconductivité à haute température.
Les quasiparticules sont des entités fascinantes qui résultent du comportement collectif au sein des matériaux et peuvent être traitées comme un groupe de particules. Plus précisément, les spinons de Dirac devraient présenter des caractéristiques uniques similaires aux particules de Dirac en physique des hautes énergies et aux électrons de Dirac en physique des hautes énergies. graphène et les matériaux de moiré quantique, tels qu'une relation de dispersion linéaire entre l'énergie et l'impulsion. Cependant, jusqu'à ce travail, les quasiparticules de spin ½ et de charge neutre n'avaient pas été observées dans les aimants quantiques.
« Trouver des spinons de Dirac dans des aimants quantiques a été le rêve de générations de physiciens de la matière condensée ; maintenant que nous en avons vu la preuve, on peut commencer à réfléchir aux innombrables applications potentielles d’un matériau quantique aussi hautement intriqué. Qui sait, peut-être qu’un jour les gens construiront des ordinateurs quantiques avec, tout comme ils l’ont fait au cours du dernier demi-siècle avec le silicium », a déclaré le professeur Meng, physicien de HKU et l’un des auteurs correspondants de l’article.
un. Diagramme schématique des excitations coniques des spinons de Dirac et du spectre continu conique formé par deux spinons. b. Diagramme schématique des excitations de spin conique dans YCu3(OH)6Br2(Br0.33(OD)0.67). c. Relation entre la demi-largeur à mi-maximum et l'énergie. La ligne continue représente un ajustement linéaire. d. Une image agrandie de certains cristaux co-alignés et une vue de face d'échantillons co-alignés sur deux plaques de Cu. Crédit : Université de Hong Kong
L'enquête de l'équipe s'est concentrée sur un matériau unique connu sous le nom de YCu3-Br, caractérisé par une structure en réseau kagome conduisant à l'apparition de ces quasi-particules insaisissables. Des études antérieures avaient fait allusion au potentiel du matériau à présenter un état liquide à spin quantique, ce qui en fait un candidat idéal pour l'exploration. Afin de permettre l'observation des spinons dans YCu3-Br, l'équipe de recherche a surmonté de nombreux défis en assemblant environ 5 000 monocristaux, répondant ainsi aux exigences nécessaires à la réalisation d'expériences telles que la diffusion inélastique des neutrons.
À l’aide de techniques avancées telles que la diffusion inélastique des neutrons, l’équipe a sondé les excitations de spin du matériau et observé d’intrigants modèles de continuum de spin conique, rappelant le cône de Dirac caractéristique. Bien que la détection directe d’un seul spinon se soit révélée difficile en raison des limites expérimentales, l’équipe a comparé ses résultats avec les prédictions théoriques, révélant des caractéristiques spectrales distinctes indiquant la présence de spinons dans le matériau.
Dr Chengkang Zhou (à gauche) et professeur Zi Yang Meng (à droite) du Département de physique de l'Université de Hong Kong. Crédit : Université de Hong Kong
Trouver des preuves spectrales des excitations des spinons de Dirac a toujours été un défi. Cette découverte fournit des preuves irréfutables de l’existence d’un état liquide de spin quantique de Dirac, qui peut s’apparenter à un cri clair traversant le brouillard de l’enquête spectrale sur l’état liquide de spin quantique. Les résultats font non seulement progresser notre compréhension fondamentale de la physique de la matière condensée, mais ouvrent également la porte à une exploration plus approfondie des propriétés et des applications de YCu3-Br.
Excitations de spin dans YCu3(OD)6(Br0.33(OD)0.67) mesurées via la diffusion des neutrons. e, f, tracés de contour d'intensité des résultats INS en fonction de E et Q le long de la direction (H, 0) à 0,3 K (e) et 30 K (f). Crédit : Université de Hong Kong
Caractérisé par la présence d’excitations fractionnaires de spinons, l’état liquide de spin quantique est potentiellement pertinent pour la supraconductivité à haute température et l’information quantique. Dans cet état, les spins sont fortement intriqués et restent désordonnés même à basse température. Par conséquent, l’étude des signaux spectraux provenant des spinons obéissant à l’équation de Dirac permettrait de mieux comprendre l’état liquide de spin quantique de la matière. Une telle compréhension sert également de guide vers ses applications plus larges, notamment l’exploration de la supraconductivité à haute température et de l’information quantique.
L'étude a été financée par le ministère chinois des Sciences et des Technologies, l'Académie chinoise des sciences et des subventions du Conseil des subventions de recherche de Hong Kong. Des mesures de diffusion neutronique ont été effectuées sur AMATERAS, J-PARC.
