Une équipe dirigée par le physicien de l’université Rice Pengcheng Dai a confirmé un comportement émergent semblable à des photons dans un matériau liquide de spin quantique. La découverte dans l’oxyde de cérium zirconium vérifie un véritable glace de spin quantique tridimensionnel. Cette avancée résout un casse-tête de longue date en physique de la matière condensée.
Les physiciens se sont longtemps interrogés sur le comportement des liquides de spin quantiques, des matériaux qui défient l’ordonnancement magnétique typique. Dans une étude publiée dans Nature Physics, les chercheurs ont vérifié l’existence de photons émergents et d’excitations de spin fractionnées dans l’oxyde de cérium zirconium (Ce₂Zr₂O₇). Dirigée par Pengcheng Dai, professeur Sam and Helen Worden de physique et d’astronomie à l’université Rice, l’équipe a utilisé des techniques avancées pour observer ces phénomènes à des températures proches du zéro absolu.
Les liquides de spin quantiques maintiennent des moments magnétiques intriqués en mouvement constant, évitant les motifs ordonnés observés dans les aimants conventionnels. Cet état imite des aspects de l’électrodynamique quantique et offre des perspectives pour l’informatique quantique et la transmission d’énergie efficace. Le matériau Ce₂Zr₂O₇ est apparu comme un exemple pur d’une glace de spin quantique tridimensionnelle.
Pour détecter ces signaux insaisissables, les chercheurs ont employé la diffusion de neutrons polarisés, qui a isolé les contributions magnétiques tout en minimisant le bruit alors que les températures chutaient vers zéro. Leurs données ont révélé des signaux de photons émergents à basse énergie, distinguant la glace de spin quantique des autres phases magnétiques. Des mesures de chaleur spécifique ont corroboré cela, montrant des motifs de dispersion similaires aux ondes sonores dans les solides.
« Nous avons répondu à une grande question ouverte en détectant directement ces excitations », a déclaré Dai. « Cela confirme que Ce₂Zr₂O₇ se comporte comme une véritable glace de spin quantique. »
Les efforts précédents ont fait face à des défis dus à des limitations techniques et des échantillons impurs, mais une préparation améliorée et des instruments de laboratoires en Europe et en Amérique du Nord ont permis des résultats plus nets. L’équipe a également repéré des spinons, renforçant les prédictions théoriques.
Bin Gao, auteur principal de l’étude et scientifique de recherche à Rice, a noté l’impact plus large : « Ce résultat surprenant encourage les scientifiques à explorer plus profondément de tels matériaux uniques, potentiellement changeant notre compréhension des aimants et du comportement des matériaux dans le régime quantique extrême. »
Les co-auteurs incluent des experts de l’Université de Toronto, de l’Université technique de Vienne, de l’Institut Laue-Langevin, du Centre Jülich et de l’Université Rutgers. Le financement provient du Département de l’Énergie des États-Unis, de la Fondation Gordon et Betty Moore et de la Fondation Robert A. Welch.
Cette observation fournit une plateforme solide pour explorer la matière quantique intriquée et ses applications technologiques.