De l'eau qui ne gèle tout simplement pas
Une interaction exotique d'électrons : Une équipe de recherche internationale découvre un nouvel état quantique
De l'eau qui ne gèle tout simplement pas, quelle que soit la température - un groupe de recherche auquel participe le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a découvert un état quantique qui pourrait être décrit de cette manière. Des experts de l'Institut de physique des solides de l'université de Tokyo au Japon, de l'université Johns Hopkins aux États-Unis et de l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes (MPI-PKS) à Dresde, en Allemagne, ont réussi à refroidir un matériau spécial à une température proche du zéro absolu. Ils ont constaté qu'une propriété centrale des atomes - leur alignement - n'a pas "gelé", comme d'habitude, mais est restée à l'état "liquide". Le nouveau matériau quantique pourrait servir de système modèle pour développer de nouveaux capteurs quantiques très sensibles. L'équipe a présenté ses résultats dans la revue Nature Physics.
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À première vue, les matériaux quantiques ne semblent pas différents des substances normales, mais ils ont leurs propres caractéristiques : à l'intérieur, les électrons interagissent avec une intensité inhabituelle, tant entre eux qu'avec les atomes du réseau cristallin. Cette interaction intime entraîne de puissants effets quantiques qui agissent non seulement à l'échelle microscopique, mais aussi à l'échelle macroscopique. Grâce à ces effets, les matériaux quantiques présentent des propriétés remarquables. Par exemple, ils peuvent conduire l'électricité sans aucune perte à basse température. Souvent, de légères variations de température, de pression ou de tension électrique suffisent à modifier radicalement le comportement du matériau.
En principe, les aimants peuvent également être considérés comme des matériaux quantiques ; après tout, le magnétisme est basé sur le spin intrinsèque des électrons dans le matériau. "D'une certaine manière, ces spins peuvent se comporter comme un liquide", explique le professeur Jochen Wosnitza du Laboratoire magnétique à haut champ (HLD) de Dresde à la HZDR. "Lorsque la température baisse, ces spins désordonnés peuvent alors geler, un peu comme l'eau se transforme en glace." Par exemple, certains types d'aimants, appelés ferromagnétiques, sont non magnétiques au-dessus de leur point de "congélation", ou plus précisément d'ordre. Ce n'est que lorsqu'ils passent en dessous de ce point qu'ils deviennent des aimants permanents.
Un matériau de haute pureté
L'équipe internationale avait pour objectif de créer un état quantique dans lequel l'alignement atomique associé aux spins ne s'ordonne pas, même à des températures ultra-froides - un peu comme un liquide qui ne se solidifierait pas, même par grand froid. Pour atteindre cet état, le groupe de recherche a utilisé un matériau spécial - un composé des éléments praséodyme, zirconium et oxygène. Ils ont supposé que dans ce matériau, les propriétés du réseau cristallin permettraient aux spins des électrons d'interagir avec leurs orbitales autour des atomes d'une manière particulière.
"La condition préalable, toutefois, était de disposer de cristaux d'une pureté et d'une qualité extrêmes", explique le professeur Satoru Nakatsuji de l'université de Tokyo. Il a fallu plusieurs tentatives, mais l'équipe a finalement réussi à produire des cristaux suffisamment purs pour leur expérience : Dans un cryostat, une sorte de super thermos, les experts ont progressivement refroidi leur échantillon jusqu'à 20 millikelvins, soit un cinquantième de degré au-dessus du zéro absolu. Pour voir comment l'échantillon réagissait à ce processus de refroidissement et à l'intérieur du champ magnétique, ils ont mesuré la variation de sa longueur. Dans une autre expérience, le groupe a enregistré la réaction du cristal aux ondes ultrasonores envoyées directement à travers lui.
Une interaction intime
Le résultat : "Si les spins s'étaient ordonnés, cela aurait dû provoquer un changement abrupt dans le comportement du cristal, comme un changement soudain de longueur", décrit le Dr Sergei Zherlitsyn, expert de HLD en matière d'investigations ultrasonores. "Pourtant, comme nous l'avons observé, rien ne s'est produit ! Il n'y a eu aucun changement soudain, ni dans la longueur, ni dans sa réponse aux ondes ultrasonores." La conclusion : L'interaction prononcée des spins et des orbitales a empêché la mise en ordre, c'est pourquoi les atomes sont restés dans leur état quantique liquide - c'est la première fois qu'un tel état quantique a été observé. Des études complémentaires dans des champs magnétiques ont confirmé cette hypothèse.
Ce résultat de recherche fondamentale pourrait également avoir des implications pratiques un jour : "À un moment donné, nous pourrions être en mesure d'utiliser le nouvel état quantique pour développer des capteurs quantiques très sensibles", spécule Jochen Wosnitza. "Pour ce faire, cependant, nous devons encore trouver comment générer systématiquement des excitations dans cet état." La détection quantique est considérée comme une technologie prometteuse pour l'avenir. Parce que leur nature quantique les rend extrêmement sensibles aux stimuli externes, les capteurs quantiques peuvent enregistrer des champs magnétiques ou des températures avec une précision bien supérieure à celle des capteurs conventionnels.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
N. Tang, Y. Gritsenko, K. Kimura, S. Bhattacharjee, A. Sakai, M. Fu, H. Takeda, H. Man, K. Sugawara, Y. Matsumoto, Y. Shimura, J. Wen, C. Broholm, H. Sawa, M. Takigawa, T. Sakakibara, S. Zherlitsyn, J Wosnitza, R. Moessner, S. Nakatsuji: Spin–orbital liquid state and liquid–gas metamagnetic transition on a pyrochlore lattice, in Nature Physics, 2022
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