Des chercheurs observent le gaz Bose critique quantique des magnons dans un antiferromagnétique quasi-2D

Les antiferromagnétiques tridimensionnels (3D) sont des matériaux dans lesquels les moments magnétiques d'atomes ou d'ions sont disposés dans une structure de réseau 3D avec des spins voisins alignés dans des directions opposées. Les physiciens ont observé une transition de phase fascinante induite par un champ magnétique dans ces matériaux, décrite lors de la condensation magnon Bose-Einstein (BEC).

Bien que dans les systèmes 2D, cette transition ne puisse pas se produire, les systèmes quasi-2D peuvent encore présenter un certain comportement BEC, ainsi que des processus physiques principalement 2D. Certaines études ont rapporté ce comportement dans quelques matériaux quasi-2D, mais uniquement à des champs magnétiques très élevés, difficiles d'accès en laboratoire.

Des chercheurs de l'Institut Max Planck de recherche sur l'état solide de l'Université de Stuttgart et de l'Université de Tokyo ont récemment observé un comportement fascinant du BEC à la limite 2D dans l'antiferromagnétique quasi-2D YbCl.₃ à un champ magnétique relativement faible.

Leur article, publié dans Physique naturellerapporte spécifiquement l'observation d'un gaz Bose critique quantique de magnons dans ce matériau.

“À l'origine, nous recherchions de nouveaux candidats pour les matériaux liquides à spin quantique de Kitaev”, a déclaré Yosuke Matsumoto, co-auteur de l'article, à Phys.org. “Le matériau que nous étudions ici, YbCl₃, est un aimant quantique pseudospin-1/2 sur un réseau en nid d'abeilles, pour lequel une réalisation possible du liquide de spin quantique de Kitaev a été suggérée théoriquement. Inspirés par cela, nous avons lancé nos recherches.

“Peu de temps après, ils ont commencé à explorer la possibilité que YbCl₃ pourrait être un liquide à spin quantique de Kitaev, deux groupes de recherche aux États-Unis ont découvert que le chlorure de terre rare n'avait aucune chance. En fait, la première équipe de l’UCLA a trouvé des preuves d’un ordre magnétique plutôt que d’un état liquide de spin quantique. Le deuxième groupe à Oak Ridge a observé que l'excitation magnétique mesurée par diffusion inélastique des neutrons peut être extrêmement bien décrite comme un aimant de Heisenberg conventionnel plutôt que comme un aimant de Kitaev.

“Néanmoins, nous nous sommes concentrés sur le fait que cet ordre magnétique est supprimé à un champ de saturation d'environ 6 T, formant un point critique quantique”, a déclaré Matsumoto. “Nous avons découvert que ce point critique quantique fournit un exemple rare de point critique quantique BEC dans la limite bidimensionnelle.”

Dans le cadre de leur dernière étude, Matsumoto et ses collègues ont analysé des monocristaux purs de YbCl₃. Ils ont collecté une série de mesures de haute précision évaluant la chaleur spécifique, l'aimantation et la conductivité thermique de ces cristaux à très basse température (c'est-à-dire jusqu'à quelques dizaines de millikelvins).

“Nous avons découvert que la dépendance en température de la chaleur spécifique et de la magnétisation à proximité du champ de saturation d'environ 6 T s'aligne parfaitement avec les prédictions théoriques d'un point critique quantique BEC dans la limite bidimensionnelle”, a expliqué Matsumoto.

“De cette manière, grâce à la caractérisation de ce point critique quantique, nous avons révélé que les champs magnétiques en dessous et au-dessus de ce point critique quantique correspondent à un état dans lequel les bosons finis du noyau dur subissent un BEC (l'état magnétique ordonné) et un état de vide avec pas de bosons (l'état complètement polarisé), respectivement.

Les chercheurs ont observé la formation d’un gaz Bose 2D quantique critique dans leur YbCl₃ échantillon, qui semblait passer par BEC. Leur étude offre la première démonstration expérimentale de processus critiques quantiques impliquant des bosons durs 2D, démontrant leur comportement en tant que gaz dilué.

“Nous avons également démontré avec succès que la répulsion efficace boson-boson réduit considérablement la limite diluée en raison de la correction logarithmique inhérente aux systèmes 2D”, a déclaré Matsumoto.

“D'un point de vue théorique, ces comportements sont connus depuis de nombreuses années. Cependant, le manque de matériaux adaptés nous a empêché jusqu'à présent de démontrer des propriétés aussi fondamentales des bosons en 2D.”

Les résultats recueillis par Matsumoto et ses collaborateurs confirment que le YbCl₃, précédemment supposé être un liquide de spin quantique de Kitaev, est plutôt une plate-forme prometteuse pour réaliser un BEC critique quantique dans la limite 2D. À l’avenir, cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nouvelles études axées sur ce matériau et sur la physique sous-jacente.

“Dans un véritable système bidimensionnel, un BEC n'est pas attendu ; au lieu de cela, une transition BKT, caractérisée par la dissociation de paires de vortex, est anticipée”, a ajouté Matsumoto. “Notre étude a révélé que l'ordre magnétique juste en dessous du champ de saturation peut être considéré comme un BEC stabilisé par un couplage intercouche extrêmement faible, mais qu'une situation très proche d'une transition BKT est toujours possible.

“Explorer de telles possibilités, en recherchant en particulier des signes d'excitations vortex et d'autres états nouveaux caractéristiques des deux dimensions, sera un objectif important de nos futurs travaux.”

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