Des expériences jettent des doutes sur l’existence de liquides de spin quantique – Technoguide

Lorsque les températures descendent en dessous de zéro degré Celsius, l’eau se transforme en glace. Mais est-ce que tout gèle réellement si vous le refroidissez suffisamment? Dans l’image classique, la matière devient intrinsèquement solide à basse température. La mécanique quantique peut cependant enfreindre cette règle. Par conséquent, l’hélium gazeux, par exemple, peut devenir liquide à -270 degrés, mais jamais solide à la pression atmosphérique: il n’y a pas de glace d’hélium.

Il en est de même pour les propriétés magnétiques des matériaux: à des températures suffisamment basses, les moments magnétiques dits «spins», par exemple, s’organisent de manière à être orientés en sens inverse / antiparallèle à leurs voisins respectifs. On peut penser à cela comme des flèches pointant alternativement de haut en bas le long d’une chaîne ou en damier. Cela devient frustrant lorsque le motif est basé sur des triangles: alors que deux spins peuvent s’aligner dans des directions opposées, le troisième est toujours parallèle à l’un d’eux et non à l’autre – peu importe comment vous le tournez.

Pour ce problème, la mécanique quantique suggère la solution que l’orientation et la liaison de deux spins ne sont pas rigides, mais que les spins fluctuent. L’état formé est appelé un liquide de spin quantique dans lequel les spins constituent un ensemble enchevêtré mécaniquement quantique. Cette idée a été proposée il y a près de cinquante ans par le lauréat du prix Nobel américain Phil W. Anderson (1923-2020). Après des décennies de recherche, il ne reste qu’une poignée de matériaux réels à la recherche de cet état exotique de la matière. En tant que “candidat” particulièrement prometteur, un réseau triangulaire dans un composé organique complexe a été considéré, dans lequel aucun ordre magnétique avec un motif régulier de haut en bas ne pouvait être observé, même à des températures extrêmement basses. Était-ce la preuve que les liquides de spin quantique existent vraiment?

Un problème est qu’il est extrêmement difficile de mesurer les spins d’électrons jusqu’à des températures extrêmement basses, en particulier le long de différentes directions cristallines et dans des champs magnétiques variables. Toutes les expériences précédentes n’ont pu sonder les liquides de spin quantique que plus ou moins indirectement, et leur interprétation est basée sur certaines hypothèses et certains modèles. Par conséquent, une nouvelle méthode de spectroscopie par résonance de spin électronique à large bande a été développée pendant de nombreuses années à l’Institut de physique 1 de l’Université de Stuttgart.

En utilisant des lignes hyperfréquences sur puce, on peut observer directement les propriétés des spins jusqu’à quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Ce faisant, les chercheurs ont découvert que les moments magnétiques ne s’organisaient pas dans le modèle haut-bas d’un aimant typique, ni ne formaient un état dynamique ressemblant à un liquide. «En fait, nous avons observé les spins par paires spatialement séparées. Ainsi, nos expériences ont brisé le rêve d’un liquide de spin quantique pour l’instant, du moins pour ce composé», résume le Pr Martin Dressel, directeur de l’Institut de physique 1.

Mais même si les paires n’ont pas fluctué comme espéré, cet état fondamental exotique de la matière n’a rien perdu de sa fascination pour les physiciens. «Nous voulons déterminer si les liquides de spin quantique pourraient être détectables dans d’autres composés de réseau triangulaire ou même dans des systèmes complètement différents tels que des structures en nid d’abeilles», Dressel décrit les étapes suivantes. Cependant, il se pourrait aussi qu’un tel état dynamique désordonné n’existe tout simplement pas dans la nature. Peut-être que chaque type d’interaction conduit d’une manière ou d’une autre à un arrangement régulier si la température est suffisamment basse. Les spins aiment se coupler.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par Universitaet Stuttgart. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

.

A propos Technoguide

Voir aussi

Les chercheurs accélèrent l’identification des régions d’ADN qui régulent l’expression des gènes – Technoguide

Les scientifiques de l’hôpital de recherche pour enfants St. Jude ont développé un système intégré …

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Défiler vers le haut