Des chercheurs de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie et de l'Université de la Colombie-Britannique ont décrit comment un soi-disant spinon solitaire – une excitation quantique exotique qui est un seul spin non apparié – peut se produire dans des modèles magnétiques. La découverte approfondit notre compréhension de la nature du magnétisme et pourrait avoir des implications pour le développement de technologies futures telles que les ordinateurs quantiques et les nouveaux matériaux magnétiques. L'œuvre est publiée dans Lettres d'examen physique.
Le magnétisme est connu de l'humanité depuis les temps anciens, lorsque la magnétite naturellement magnétisée a été découverte. Cette constatation a rapidement trouvé des applications très pratiques. Les premières boussoles ont été créées au 11ème siècle en Chine et ont commencé à être utilisées pour la navigation.
Aujourd'hui, les aimants jouent un rôle important dans de nombreuses technologies qui nous entourent, de la mémoire informatique et des haut-parleurs aux moteurs électriques et aux diagnostics médicaux. Fait intéressant, aux côtés de la photographie, les aimants sont également devenus un souvenir commun de voyage, occupant une place de premier plan dans nos maisons.
Malgré son utilisation généralisée, la nature du magnétisme est restée incomplètement comprise pendant longtemps. La situation s'est encore compliquée lorsque Niels Bohr et Hendrika Johanna van Leeuwen ont montré que le magnétisme ne pouvait pas être expliqué dans le cadre de la physique classique. Ce n'est que lorsque le développement de la mécanique quantique dans les années 1920 qu'il a été compris que les propriétés magnétiques de la matière sont principalement dues aux interactions entre les spins des électrons. Le rotation, ainsi que la charge de masse et électrique, est l'une des propriétés fondamentales des particules élémentaires.
En 1931, Hans Bethe a proposé une solution mathématiquement élégante à l'un des modèles quantiques fondamentaux du magnétisme – le modèle de Heisenberg unidimensionnel. Moins d'un demi-siècle plus tard, en 1981, Ludwig Faddeev et Leon Takhtajan réalisaient que les solutions à ce modèle présentaient un phénomène surprenant: comme si un électron indivisible « se divise » en deux particules plus fondamentales. Le spin de l'électron est 1/2 (en unités de Planck’s constant ħ) et peut être orienté dans n'importe quelle direction dans l'espace.
Dans la situation standard, une excitation implique le renversement de la rotation d'un électron, entraînant un changement de rotation de l'ensemble du système par 1. Cependant, de Faddeev et Takhtajan’La théorie de S, il s'ensuit que les excitations fondamentales dans un aimant modifient la rotation totale du système de 1/2. Ces excitations qui se comportent exotiquement ont été nommées spinons.
Depuis lors, de nombreuses expériences ont confirmé leur existence. Cependant, on croyait depuis longtemps que les spinons ne pouvaient se former que par paires – et en effet, ils avaient toujours été observés sous cette forme – ce qui a fait que le phénomène semble un peu moins « exotique ».
Un spinon solitaire
Dans le journal qui vient d'être publié dans Lettres d'examen physiqueune équipe de scientifiques de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie et de l'Université de la Colombie-Britannique a montré comment une telle excitation singulière peut être créée comme un seul spinon. Un tel spinon peut être créé de manière très simple: il suffit d'ajouter une rotation supplémentaire à l'état fondamental du modèle de Heisenberg unidimensionnel (une description théorique d'un certain nombre de tours en interaction).
Les chercheurs ont également découvert que le même effet pouvait être obtenu si, au lieu de l'état fondamental, un modèle très simplifié du solide de la Solide de la valence (VBS) est utilisé, dans lequel les spins sont appariés de manière très ordonnée. Un spinon dans ce modèle peut être compris comme un seul spin non apparié qui « se déplace » à travers un réseau de ces tours appariés.
Surtout, cette prédiction théorique a récemment été confirmée avec succès expérimentalement dans l'article de Zhao et de l'équipe dans « Spin Excitations in Nanograpale Antiferromagnétique Spin-1/2 Heisenberg Chains », publié en mars en mars en Matériaux de la nature.
Spinons et leur signification pour les technologies futures
Il s'agit d'une étape importante vers une meilleure compréhension des propriétés quantiques de la magnétique et pourrait ouvrir la voie à la découverte de nouvelles fonctionnalités d'entre eux. D'une importance particulière, les spinons sont le résultat de fortes interactions entre les électrons et les phénomènes quantiques tels que l'enchevêtrement quantique.
Des mécanismes similaires jouent un rôle clé dans les phénomènes aussi fondamentaux que la supraconductivité à haute température ou l'effet de la salle fractionnaire dans les liquides quantiques bidimensionnels. L'intrication quantique est également le fondement des ordinateurs quantiques et de l'informatique quantique dans son ensemble.
« Nos recherches approfondissent non seulement nos connaissances des aimants, mais peuvent également avoir des conséquences de grande envergure dans d'autres domaines de la physique et de la technologie », conclut le professeur Krzysztof Wohlfeld de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie.
