​​​​​​​Une enquête informatique confirme le premier liquide à spin quantique 3D

Mar 21, 2024

HOUSTON – (10 mai 2022) – Des travaux de détective informatique menés par des physiciens américains et allemands ont confirmé que le pyrochlore de cérium zirconium est un liquide à spin quantique 3D.

Malgré leur nom, les liquides à spin quantique sont des matériaux solides dans lesquels l'intrication quantique et l'arrangement géométrique des atomes contrecarrent la tendance naturelle des électrons à s'ordonner magnétiquement les uns par rapport aux autres. La frustration géométrique dans un liquide à spin quantique est si grave que les électrons fluctuent entre les états magnétiques quantiques, quelle que soit leur température.

Les physiciens théoriciens travaillent régulièrement avec des modèles de mécanique quantique qui manifestent des liquides à spin quantique, mais trouver des preuves convaincantes de leur existence dans des matériaux physiques réels a été un défi de plusieurs décennies. Alors qu'un certain nombre de matériaux 2D ou 3D ont été proposés comme liquides de spin quantique possibles, le physicien de l'Université Rice, Andriy Nevidomskyy, a déclaré qu'il n'y avait pas de consensus établi parmi les physiciens sur la qualification de l'un d'entre eux.

Nevidomskyy espère que cela changera sur la base des recherches informatiques que lui et ses collègues de Rice, de l'Université d'État de Floride et de l'Institut Max Planck de physique des systèmes complexes de Dresde, en Allemagne, ont publiées ce mois-ci dans la revue en libre accès npj Quantum Materials.

"Sur la base de toutes les preuves dont nous disposons aujourd'hui, ces travaux confirment que les monocristaux de pyrochlore de cérium identifiés comme candidats liquides à spin quantique 3D en 2019 sont bien des liquides à spin quantique avec des excitations de spin fractionnées", a-t-il déclaré.

La propriété inhérente des électrons qui conduit au magnétisme est le spin. Chaque électron se comporte comme une petite barre magnétique avec un pôle nord et sud et, lorsqu'ils sont mesurés, les spins des électrons individuels pointent toujours vers le haut ou vers le bas. Dans la plupart des matériaux du quotidien, les rotations pointent vers le haut ou vers le bas au hasard. Mais les électrons sont antisociaux par nature, ce qui peut les amener à organiser leurs spins par rapport à ceux de leurs voisins dans certaines circonstances. Dans les aimants, par exemple, les spins sont disposés collectivement dans la même direction, et dans les antiferromagnétiques, ils sont disposés selon un schéma haut-bas et haut-bas.

À très basse température, les effets quantiques deviennent plus importants, ce qui amène les électrons à organiser collectivement leurs spins dans la plupart des matériaux, même dans ceux où les spins pointeraient dans des directions aléatoires à température ambiante. Les liquides de spin quantique sont un contre-exemple dans lequel les spins ne pointent pas dans une direction définie – même vers le haut ou vers le bas – quelle que soit la température du matériau.

"Un liquide de spin quantique, de par sa nature même, est un exemple d'état fractionné de la matière", a déclaré Nevidomskyy, professeur agrégé de physique et d'astronomie et membre de la Rice Quantum Initiative et du Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . « Les excitations individuelles ne sont pas des retournements de rotation de haut en bas ou vice versa. Ce sont ces objets bizarres et délocalisés qui possèdent la moitié d'un degré de liberté de rotation. C'est comme la moitié d'un tour.

Nevidomskyy faisait partie de l'étude de 2019 menée par Pengcheng Dai, physicien expérimental de Rice, qui a trouvé la première preuve que le pyrochlore de cérium zirconium était un liquide à spin quantique. Les échantillons de l'équipe étaient les premiers du genre : des pyrochlores en raison de leur rapport de 2 à 2 à 7 en cérium, zirconium et oxygène, et des monocristaux parce que les atomes à l'intérieur étaient disposés dans un réseau continu et ininterrompu. Les expériences de diffusion inélastique des neutrons menées par Dai et ses collègues ont révélé une caractéristique liquide de spin quantique, un continuum d'excitations de spin mesurées à des températures aussi basses que 35 millikelvins.

"On pourrait affirmer qu'ils ont trouvé le suspect et l'ont accusé du crime", a déclaré Nevidomskyy. "Notre travail dans cette nouvelle étude consistait à prouver au jury que le suspect est coupable."

Nevidomskyy et ses collègues ont construit leur cas en utilisant des méthodes de Monte Carlo de pointe, une diagonalisation exacte ainsi que des outils analytiques pour effectuer les calculs de dynamique de spin pour un modèle de mécanique quantique existant du pyrochlore de cérium zirconium. L'étude a été conçue par Nevidomskyy et Roderich Moessner de Max Planck, et les simulations de Monte Carlo ont été réalisées par Anish Bhardwaj et Hitesh Changlani de l'État de Floride avec les contributions de Han Yan de Rice et Shu Zhang de Max Planck.