Une équipe internationale de scientifiques dirigée par Pengcheng Dai de l'Université Rice a confirmé l'existence de photons émergents et d'excitations de spin fractionnalisées dans un rare liquide de spin quantique. Publié dans Physique de la nature Le 19 juin, leurs résultats identifient l'oxyde de zirconium de cérium à composé cristallin (ce₂zr₂o₇) comme une réalisation 3D claire de cet état de matière exotique.
Long un sujet d'intrigue théorique, les liquides de spin quantique sont prometteurs pour les technologies révolutionnaires, y compris l'informatique quantique et la transmission d'énergie sans dissipation. En refusant de se conformer au comportement magnétique traditionnel, ces matériaux réalisent l'électrodynamique quantique émergente via des mouvements très entangés des moments magnétiques à des températures près de zéro absolu.
« Nous avons répondu à une question ouverte majeure en détectant directement ces excitations », a déclaré Dai, le professeur de physique et d'astronomie de Sam et Helen Worden. « Cela confirme que Ce₂zr₂o₇ se comporte comme une véritable glace de spin quantique, une classe spéciale de liquides de spin quantique en trois dimensions. »
Clarité expérimentale dans un champ bruyant
L'équipe de recherche a utilisé des techniques de diffusion de neutrons polarisées de pointe pour isoler et identifier les signes révélateurs de comportement liquide de spin quantique. Ces outils leur ont permis de séparer la diffusion magnétique de tous les autres signaux, même dans la limite de température zéro.
Pendant ce temps, les mesures leur ont permis de découvrir des signaux de photons émergents près de l'énergie zéro – une caractéristique clé distinguant la glace de spin quantique des autres phases conventionnelles dans les aimants ordinaires. Les mesures complémentaires de la chaleur spécifique du composé ont fourni un soutien supplémentaire, ce qui suggère que les photons émergents prévus ont une dispersion similaire à la façon dont le son se déplace dans un solide.
Le bruit technique et les données incomplètes ont souvent gêné les efforts antérieurs pour valider un tel comportement. L'équipe de recherche dirigée par le riz a surmonté ces obstacles grâce à des instruments raffinés de préparation des échantillons et de précision, y compris la collaboration internationale de grands laboratoires en Europe et en Amérique du Nord.
Un premier scientifique avec un impact de grande envergure
Notamment, les photons et les spinons émergents – des marques de glace de spin quantique – ont été observés dans un matériau candidat 3D. La découverte des chercheurs règle un débat de longue date en physique de la matière condensée et fournit une plate-forme robuste pour explorer les technologies de nouvelle génération.
Ce résultat fondamental valide des décennies de prédictions théoriques, a déclaré Bin Gao, chercheur au Département de physique et d'astronomie de Rice et le premier auteur de l'étude.
« Ce résultat surprenant encourage les scientifiques à approfondir des matériaux aussi uniques, changeant potentiellement de la façon dont nous comprenons les aimants et le comportement des matériaux dans le régime quantique extrême », a déclaré Gao.
Les co-auteurs de cette étude incluent Félix Desrochers et Yong Baek Kim de l'Université de Toronto; L'ancien des riz David Tam du Paul Scherrer Institute; Silke Paschen, Diana Kirschbaum et Duy Ha Nguyen de l'Université de technologie de Vienne; Paul Steffens et Arno Hiess de l'Institut Laue-Langevin; Yixi Su du centre Jülich de Heinz Maier-Leibnitz Center; et Sang-wook Cheong de l'Université Rutgers.
