Les chercheurs de l’Université Brown ont fait des progrès dans la compréhension des liquides à spin quantique, un état complexe de la matière. Contrairement aux aimants standards qui se solidifient à mesure que la température diminue, les liquides de spin quantique restent dans un état de flux. Une étude récente, axée sur le composé H3LiIr2O6, s’est penchée sur le rôle du désordre dans ces matériaux. Ils ont découvert que l’état liquide quantique n’imite pas ou n’est pas détruit par le désordre, mais subit une altération significative. Cette recherche est prometteuse pour les technologies quantiques, notamment dans le domaine de l’informatique quantique.
Une étude menée par des scientifiques de l’Université Brown commence à répondre à une question de longue date en physique de la matière condensée, à savoir si le désordre imite ou détruit l’état liquide quantique dans un composé important.
Les liquides de spin quantique sont difficiles à expliquer et encore plus difficiles à comprendre.
Pour commencer, ils n’ont rien à voir avec les liquides du quotidien, comme l’eau ou le jus, mais tout à voir avec des aimants spéciaux et la façon dont ils tournent. Dans les aimants ordinaires, lorsque la température baisse, le spin des électrons se fige et forme un morceau de matière solide. Cependant, dans les liquides à spin quantique, le spin des électrons ne gèle pas ; les électrons restent dans un état de flux constant, comme ils le feraient dans un liquide à écoulement libre.
Les liquides de spin quantique sont l’un des états quantiques les plus intriqués conçus à ce jour, et leurs propriétés sont essentielles dans des applications qui, selon les scientifiques, pourraient catapulter les technologies quantiques. Malgré 50 ans de recherche et de multiples théories suggérant leur existence, personne n’a jamais vu de preuve définitive de cet état de la matière. En fait, les chercheurs pourraient ne jamais voir cette preuve en raison de la difficulté de mesurer directement l’intrication quantique, un phénomène qu’Albert Einstein a qualifié d’« action effrayante à distance ». C’est là que deux atomes se lient et sont capables d’échanger des informations, quelle que soit leur distance.
Le rôle du désordre dans les liquides de spin quantique
Le mystère entourant les liquides à spin quantique a conduit à des questions majeures sur ce matériau exotique dans la physique de la matière condensée, qui sont jusqu’à présent restées sans réponse. Mais dans un nouvel article paru Communications naturellesune équipe de physiciens dirigée par l’Université Brown commence à faire la lumière sur l’une des questions les plus importantes et le fait en introduisant une nouvelle phase de la matière.
Tout cela se résume au désordre.
Kemp Plumb, professeur adjoint de physique à Brown et auteur principal de la nouvelle étude, explique que « tous les matériaux, à un certain niveau, présentent du désordre » et que ce désordre est lié au nombre de façons microscopiques dont les composants d’un système peuvent être disposés. Un système ordonné, comme un cristal solide, a très peu de moyens de le réorganiser, par exemple, tandis qu’un système désordonné, comme un gaz, n’a pas de véritable structure.
Dans les liquides à spin quantique, le désordre introduit des divergences qui vont essentiellement à l’encontre de la théorie derrière les liquides. Une explication dominante était que lorsque le désordre est introduit, le matériau cesse d’être un liquide à spin quantique et est simplement un aimant en état de désordre. « La grande question était donc de savoir si l’état liquide du spin quantique survit en présence d’un désordre, et s’il survit, comment ? » dit Plumb.
Les chercheurs ont abordé la question en utilisant certains des rayons X les plus brillants au monde pour analyser les ondes magnétiques du composé qu’ils ont étudié à la recherche de signatures révélatrices indiquant qu’il s’agit d’un liquide à spin quantique. Les mesures ont montré que non seulement le matériau ne s’ordonne pas (ni ne gèle) magnétiquement à basse température, mais que le désordre présent dans le système n’imite ni ne détruit l’état liquide quantique.
Cela le modifie considérablement, ont-ils constaté.
« L’état liquide quantique survit en quelque sorte », a déclaré Plumb. « Il ne fait pas ce que l’on attendrait d’un aimant normal lorsqu’il gèle. Il reste dans cet état dynamique, mais c’est comme une version décorrélée de cet état dynamique. Notre interprétation actuelle est que le liquide de spin quantique est divisé en petites flaques d’eau à travers le matériau.
Implications et recherches futures
Les résultats suggèrent essentiellement que le matériau qu’ils ont examiné, qui est l’un des principaux candidats pour devenir un liquide à spin quantique, semble en être proche, mais avec un composant supplémentaire. Les chercheurs postulent qu’il s’agit d’un liquide de spin quantique désordonné, ce qui en fait une nouvelle phase de matière désordonnée.
« Une chose qui aurait pu se produire dans ce matériau était qu’il devienne une version désordonnée d’un état liquide à spin non quantique, mais nos mesures nous l’auraient indiqué », a déclaré Plumb. « Au lieu de cela, nos mesures montrent que c’est quelque chose de très différent. »
Les résultats approfondissent notre compréhension de la façon dont le désordre affecte les systèmes quantiques et de la manière d’en tenir compte, ce qui est important alors que ces matériaux sont explorés pour être utilisés dans l’informatique quantique.
Ces travaux font partie d’une longue série de recherches sur les états magnétiques exotiques menées par le laboratoire de Plumb à Brown. L’étude se concentre sur le composé H3LiIr2O6, un matériau considéré comme le mieux adapté à l’archétype d’un type spécial de liquide de spin quantique appelé liquide de spin Kitaev. Bien qu’il soit connu pour ne pas geler à des températures froides, le H3LiIr2O6 est notoirement difficile à produire en laboratoire et est connu pour ses désordres, ce qui ne permet pas de savoir s’il s’agit réellement d’un liquide de rotation.
Les chercheurs de Brown ont travaillé avec des collaborateurs du Boston College pour synthétiser le matériau, puis ont utilisé le puissant système à rayons X du laboratoire national d’Argonne dans l’Illinois pour l’éclairer avec une lumière à haute énergie. La lumière excite les propriétés magnétiques du composé et les mesures provenant des ondes qu’elle produit constituent une solution de contournement pour mesurer l’intrication, car la méthode offre un moyen d’observer comment la lumière influence l’ensemble du système.
Les chercheurs espèrent continuer à développer leurs travaux en affinant les méthodes, le matériau lui-même et en examinant différents matériaux.
« La chose la plus importante à l’avenir est quelque chose que nous avons fait, c’est-à-dire continuer à rechercher le très vaste espace de matériaux que nous offre le tableau périodique », a déclaré Plumb. « Nous comprenons désormais mieux comment les différentes combinaisons d’éléments que nous réunissons peuvent affecter les interactions ou donner lieu à différents types de troubles qui affecteront le liquide de rotation. Nous disposons de plus de conseils, ce qui est vraiment important car il s’agit véritablement d’un espace de recherche très vaste.
Parmi les autres auteurs de Brown figurent Alberto de la Torre Duran, ancien boursier postdoctoral du laboratoire Plumb, et Ben Zager, étudiant diplômé actuel. Ce travail a été soutenu par le Département américain de l’Énergie, qui gère le Laboratoire national d’Argonne.
