Une approche en trois volets permet de discerner les qualités des liquides à spin quantique

En 1973, le physicien Phil Anderson a émis l’hypothèse que l’état liquide de spin quantique, ou QSL, existait sur certains réseaux triangulaires, mais il lui manquait les outils nécessaires pour approfondir cette question. Cinquante ans plus tard, une équipe dirigée par des chercheurs associés au Quantum Science Center, dont le siège se trouve au laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie, a confirmé la présence du comportement QSL dans un nouveau matériau présentant cette structure, KYbSe.₂.

Les QSL – un état inhabituel de la matière contrôlé par des interactions entre des atomes magnétiques intriqués ou intrinsèquement liés appelés spins – excellent dans la stabilisation de l’activité mécanique quantique dans KYbSe₂ et autres delafossites. Ces matériaux sont appréciés pour leurs réseaux triangulaires en couches et leurs propriétés prometteuses qui pourraient contribuer à la construction de supraconducteurs et de composants informatiques quantiques de haute qualité.

Le document, publié dans Physique naturelle, présente des chercheurs de l’ORNL ; Laboratoire national Lawrence Berkeley ; Laboratoire national de Los Alamos ; Laboratoire national des accélérateurs du SLAC ; l’Université du Tennessee, Knoxville ; l’Université du Missouri ; l’Université du Minnesota ; Université de Stanford; et l’Institut de physique de Rosario.

“Les chercheurs ont étudié le réseau triangulaire de divers matériaux à la recherche du comportement QSL”, a déclaré Allen Scheie, membre du QSC et auteur principal, scientifique à Los Alamos. “L’un des avantages de celui-ci est que nous pouvons facilement échanger des atomes pour modifier les propriétés du matériau sans altérer sa structure, ce qui le rend plutôt idéal d’un point de vue scientifique.”

En utilisant une combinaison de techniques théoriques, expérimentales et informatiques, l’équipe a observé plusieurs caractéristiques des QSL : l’intrication quantique, les quasiparticules exotiques et le bon équilibre des interactions d’échange, qui contrôlent la manière dont un spin influence ses voisins. Bien que les efforts visant à identifier ces caractéristiques aient été historiquement entravés par les limites des expériences physiques, les instruments modernes de diffusion de neutrons peuvent produire des mesures précises de matériaux complexes au niveau atomique.

En examinant KYbSe₂Dynamique de spin de avec le spectromètre hacheur de neutrons froids de la source de neutrons de spallation de l’ORNL (une installation utilisateur du bureau des sciences du DOE) et en comparant les résultats à des modèles théoriques fiables, les chercheurs ont trouvé des preuves que le matériau était proche du point critique quantique auquel QSL les caractéristiques prospèrent. Ils ont ensuite analysé son état magnétique mono-ion avec le spectromètre hacheur à large plage angulaire de SNS.

Les témoins en question sont les informations de Fisher à un enchevêtrement, à deux enchevêtrements et quantiques, qui ont joué un rôle clé dans les précédentes recherches QSC axées sur l’examen d’une chaîne de spins 1D ou d’une seule ligne de spins dans un matériau. KYbSe₂ est un système 2D, une qualité qui a rendu ces efforts plus complexes.

“Nous adoptons une approche de co-conception, intégrée au QSC”, a déclaré Alan Tennant, professeur de physique, de science et d’ingénierie des matériaux à l’UTK, qui dirige un projet d’aimants quantiques pour le QSC. “Les théoriciens du centre calculent des choses qu’ils n’avaient pas pu calculer auparavant, et ce chevauchement entre théorie et expérience a permis cette percée dans la recherche QSL.”

Cette étude s’aligne sur les priorités du QSC, qui incluent la connexion de la recherche fondamentale à l’électronique quantique, aux aimants quantiques et à d’autres dispositifs quantiques actuels et futurs.

“Une meilleure compréhension des QSL est vraiment importante pour le développement de technologies de nouvelle génération”, a déclaré Tennant. “Ce domaine en est encore à l’état de recherche fondamentale, mais nous pouvons désormais identifier les matériaux que nous pouvons modifier pour potentiellement fabriquer des dispositifs à petite échelle à partir de zéro.”

Bien que KYbSe₂ n’est pas un vrai QSL, le fait qu’environ 85 % du magnétisme fluctue à basse température signifie qu’il a le potentiel de le devenir. Les chercheurs prévoient que de légères altérations de sa structure ou une exposition à une pression externe pourraient potentiellement l’aider à atteindre 100 %.

Les expérimentateurs et les informaticiens de QSC prévoient des études et des simulations parallèles axées sur les matériaux delafossite, mais les découvertes des chercheurs ont établi un protocole sans précédent qui peut également être appliqué à l’étude d’autres systèmes. En rationalisant les évaluations fondées sur des preuves des candidats QSL, ils visent à accélérer la recherche de véritables QSL.

“La chose importante à propos de ce matériel est que nous avons trouvé un moyen de nous orienter sur la carte pour ainsi dire et de montrer ce que nous avons bien fait”, a déclaré Scheie. “Nous sommes presque sûrs qu’il existe une QSL complète quelque part dans cet espace chimique, et nous savons maintenant comment la trouver.”