Découverte d'un "liquide de spin quantique" recherché depuis longtemps
Après des décennies de recherche, un nouvel état exotique de la matière pourrait enfin avoir été trouvé : une équipe internationale de chercheurs présente des preuves irréfutables
Depuis les années 1970, les scientifiques se demandent s'il pourrait exister des matériaux présentant une forme très particulière de désordre magnétique, appelés "liquides de spin quantique" (QSL).
Ces matériaux présentent un grand intérêt pour plusieurs raisons. Ils pourraient être la clé du développement de nouveaux types de supraconducteurs et ouvrir de nouvelles possibilités dans le domaine de l'informatique quantique et des technologies connexes. Mais il s'est avéré extrêmement difficile de trouver de véritables liquides de spin quantiques. De nombreuses expériences ont été réalisées, en particulier sur des matériaux bidimensionnels. Mais même si des caractéristiques prometteuses d'un QSL ont été trouvées, il n'y a jamais eu de concordance totale entre l'expérience et la théorie.
Aujourd'hui, une équipe internationale réunissant l'Université technique de Vienne, l'Université Rice au Texas, l'Université de Toronto, l'Université Rutgers et plusieurs installations de diffusion des neutrons a identifié le premier candidat convaincant pour un véritable liquide de spin quantique tridimensionnel. Des expériences sur le zirconate de cérium (Ce₂Zr₂O₇) ont révélé les principales signatures attendues pour un tel état, notamment ce que l'on appelle les photons émergents. Il ne s'agit pas de photons proprement dits, mais d'excitations magnétiques à l'intérieur du matériau qui se comportent d'une manière étonnamment similaire aux photons. Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature Physics.
Aimants ordonnés, liquide désordonné
Dans les aimants ordinaires, les spins, c'est-à-dire le moment angulaire mécanique quantique des particules, s'alignent selon des schémas réguliers. Par exemple, dans un ferromagnétique, tous les spins pointent dans la même direction en dessous d'une certaine température critique.
Mais il existe aussi des matériaux dans lesquels, même au zéro absolu, les spins refusent de s'installer dans une configuration statique. Au lieu de cela, ils restent dans un état de fluctuation quantique constante.
"Ils se comportent comme une forme liquide de magnétisme, sans ordre fixe", explique le professeur Silke Bühler-Paschen, de l'Institut de physique des solides de l'Université technique de Vienne.
Un liquide de spin quantique n'est donc pas un liquide au sens traditionnel du terme : c'est un cristal solide. Le terme "liquide" fait référence à l'absence d'ordre magnétique dans le système de spin.
Bien que les spins individuels d'un tel système restent désordonnés et pointent dans différentes directions, ils sont toujours enchevêtrés du point de vue de la mécanique quantique. Leurs directions semblent aléatoires, mais elles sont fondamentalement liées : La mesure d'un spin peut affecter l'état des autres. C'est cette intrication qui fait des liquides de spin quantiques une plate-forme si prometteuse pour les futures technologies quantiques.
Photons émergents - La lumière qui n'est pas de la lumière
Il est exceptionnellement difficile de démontrer qu'un matériau forme réellement un liquide de spin quantique.
"C'est précisément la raison pour laquelle une véritable percée dans ce domaine est restée insaisissable pendant des décennies", explique Silke Bühler-Paschen. "Nous avons étudié le zirconate de cérium, qui forme un réseau tridimensionnel de spins et ne présente aucun ordre magnétique, même à des températures aussi basses que 20 millikelvins. Pour la première fois, nous avons pu détecter des signaux qui indiquent fortement la présence d'un liquide de spin quantique tridimensionnel - en particulier, la présence de photons dits émergents".
Tout comme des ondes peuvent traverser l'eau liquide lorsqu'elle est perturbée, des ondes peuvent se propager dans le système de spin d'un liquide de spin quantique. Ces ondes se comportent à bien des égards comme la lumière, même si elles ne sont pas de nature électromagnétique, mais plutôt des excitations collectives d'un grand nombre de spins. Pourtant, d'un point de vue mathématique, elles suivent les mêmes équations que les vrais photons de l'électrodynamique. Les signaux observés correspondent aux prédictions théoriques en termes d'énergie, de quantité de mouvement et de polarisation.
"La découverte de ces photons émergents dans le zirconate de cérium est une indication très forte que nous avons effectivement trouvé un liquide de spin quantique", déclare Silke Bühler-Paschen. "Nous prévoyons de mener d'autres expériences, mais de notre point de vue, le zirconate de cérium est actuellement le candidat le plus convaincant pour un liquide de spin quantique". D'autres études à haute résolution et des recherches sur des matériaux apparentés sont d'ores et déjà prévues.
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Publication originale
Bin Gao, Félix Desrochers, David W. Tam, Diana M. Kirschbaum, Paul Steffens, Arno Hiess, Duy Ha Nguyen, Yixi Su, Sang-Wook Cheong, Silke Paschen, Yong Baek Kim, Pengcheng Dai; "Neutron scattering and thermodynamic evidence for emergent photons and fractionalization in a pyrochlore spin ice"; Nature Physics, 2025-6-19
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