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La patience et la persistance mènent à des résultats appuyant l’existence du liquide de spin quantique

by CIFAR déc. 7 / 15

Un chercheur de l’ICRA a partagé les premiers résultats expérimentaux venant soutenir l’existence d’un état de la matière appelé « liquide de spin » à une température près du zéro absolu. Ces résultats pourraient favoriser l’évolution d’un nouveau domaine d’étude en physique moderne et contribuer à la compréhension d’autres états comme la supraconductivité.

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De nouveaux résultats démontrent que le minerai herbertsithite (ZnCu3(OH)6CI2) est un liquide de spin où les spins d’électrons sont incapables de s’aligner, même à des températures près du zéro absolu.

Le Boursier principal de l’ICRA Takashi Imai (Université McMaster) et son étudiant Mingxuan Fu ont publié leurs résultats dans le numéro du 6 novembre de la revue Science. Ils ont pu démontrer qu’un état de liquide de spin existait bel et bien dans un matériau appelé herbertsmithite près du zéro absolu.

Le spin est une propriété des électrons qui détermine leur comportement magnétique. Dans certains matériaux, à basse température, les spins ont tendance à s’aligner. Mais depuis des décennies, les théoriciens se demandent si des arrangements triangulaires particuliers d’électrons pourraient empêcher l’alignement des spins dans un ordre stable. Cette éventuelle fluctuation résultante des spins qui s’attirent et se repoussent dans un « triangle amoureux », où aucun arrangement ne peut satisfaire tous les électrons, s’appelle liquide de spins en raison de sa nature mouvante.

Les chercheurs ont par le passé cherché des indications sur l’existence d’un état de liquide de spin dans de nombreux matériaux candidats, y compris le ZnCu3(OH)6Cl2 ou herbertsmithite, un minerai de cuivre nommé du nom de son découvreur. Le défi était de déterminer si l’état existait près du zéro absolu, la température la plus basse au plan théorique, ou bien s’il « gelait » dans une forme fixe d’orientations de spins.

Pour étudier la question, les chercheurs ont utilisé un échantillon du minerai synthétisé avec une forme spécifique d’oxygène qui émet un signal détectable par résonance magnétique nucléaire (RMN). Les chercheurs ont eu recours à la RMN pour distinguer les signaux du cristal lui-même de ceux des défauts du cristal.

« La beauté des expériences avec la RMN réside dans le fait qu’on peut détecter et sonder séparément la portion propre d’un échantillon, en écartant les défauts », explique Imai. « Seule la RMN permet cette opération. »

Il a fallu deux ans à Imai et à Fu pour comprendre comment positionner le cristal dans le système et, rendus à un certain point, ils étaient presque prêts à abandonner. À la fin de leur troisième tentative, « mes étudiants et moi étions en train de prendre des mesures en laboratoire », se souvient Imai. Quand la température a baissé et qu’ils ont vu le résultat, dit-il, « Nous avons littéralement commencé à crier! »

« Voilà le résultat irréfutable soutenant l’existence d’un état fondamental de liquide de spin que tout le monde cherchait depuis des décennies », dit Imai. « Ces travaux devraient susciter beaucoup de débats », dit Imai, quand on lui demande quelles sont les prochaines étapes. « Nous ne sommes pas encore rendus à destination. ». Il espère qu’une meilleure compréhension des liquides de spins pourra éclairer la recherche sur les supraconducteurs à température élevée.

« Cela fait deux décennies que l’ICRA œuvre à l’appui de notre programme », précise Imai. « Dans le domaine de la recherche sur les matériaux, il faut multiplier les observations et les mesures et, de temps en temps, on tombe sur quelque chose de gros. Je suis très reconnaissant du soutien continu de l’ICRA au profit de ce type de recherche. Les gens ne comprennent peut-être pas immédiatement de quoi il resssort, mais de temps en temps il se produit quelque chose d’emballant. »