Résumé :
L'équipe de recherche de l'Université d'Osaka au Japon a récemment réalisé des progrès dans la science des matériaux : les chercheurs ont utilisé le cobalt, un métal relativement courant, pour construire une structure locale en nid d'abeille de cobalt dans un film d'oxyde avec une structure cristalline en nid d'abeille existante, et ont observé un magnétisme spécial lié aux matériaux quantiques de type Kitaev. Cette réalisation fournit un nouveau système matériel qui ne repose pas sur des métaux rares tels que le ruthénium et l'iridium pour étudier des états quantiques exotiques tels que les liquides à spin quantique.
Le matériau de base choisi par les chercheurs est l'antimoniate de sodium (NaSbO₃), qui possède lui-même une structure en nid d'abeille en couches. L’équipe de recherche y a ajouté environ 4 % de cobalt, permettant aux atomes de cobalt de former localement une structure en nid d’abeille CoO₆ sans détruire la structure cristalline originale à grande échelle.
Les chercheurs ont ensuite utilisé une analyse microscopique pour confirmer que les atomes de cobalt étaient effectivement agrégés dans une structure locale en nid d'abeille, comme le prédit la théorie, et qu'aucune seconde phase indésirable évidente ne s'était formée. Ceci est important car pour créer un matériau doté d’un magnétisme quantique spécifique, il ne suffit pas d’ajouter simplement un élément à un autre cristal. Les atomes dopants doivent également former une structure locale suffisamment stable avec un arrangement géométrique spécifique.
La clé de cette recherche réside dans la disposition en nid d'abeille elle-même. Les matériaux de Kitaev sont appréciés des physiciens car des réseaux en nid d'abeilles spécifiques et des interactions magnétiques peuvent produire des états quantiques très spéciaux, dont les plus intéressants sont les liquides de spin quantique.
Dans les matériaux magnétiques ordinaires, les spins d'un grand nombre d'atomes ont tendance à s'arranger selon certaines règles, comme former une structure ferromagnétique ou antiferromagnétique. Mais dans les liquides à spin quantique, même si la température est réduite à des niveaux très bas, les spins peuvent ne pas être capables de former un ordre magnétique à longue portée au sens traditionnel du terme en raison des fluctuations quantiques, mais maintenir un état dynamique hautement intriqué.
Ce type de matériau a toujours été un objet important de la recherche en physique quantique. Théoriquement, certains liquides de spin quantique peuvent avoir des excitations de quasiparticules et des propriétés topologiques très particulières et sont donc considérés comme potentiellement pertinents pour l'avenir de l'informatique quantique et de la recherche sur de nouveaux dispositifs quantiques. Cependant, ce type de matériau est encore loin d’être réellement utilisé en informatique quantique.
Auparavant, un grand nombre de recherches sur les matériaux de Kitaev se concentraient sur les composés contenant du ruthénium et de l'iridium, car ces éléments peuvent fournir des propriétés telles qu'un fort couplage spin-orbite requis pour la recherche. Cependant, le ruthénium et l'iridium sont des éléments relativement rares et coûteux, ce qui limite dans une certaine mesure la préparation à grande échelle et l'exploration ultérieure des applications de matériaux associés.
C'est pourquoi le cobalt préoccupe les chercheurs. Le cobalt est un métal de transition relativement courant qui a été largement utilisé dans les batteries, les alliages, la fabrication de semi-conducteurs et d'autres domaines. Son coût et son approvisionnement sont généralement plus propices à une utilisation à grande échelle que le ruthénium et l'iridium. L'équipe de recherche espère vérifier une question clé : si le cobalt peut former une structure en nid d'abeille similaire à celle du matériau de Kitaev, et ainsi obtenir des propriétés magnétiques ayant une valeur de recherche.
Les résultats expérimentaux montrent que cette idée est effectivement réalisable. Les mesures magnétiques ont révélé que le matériau apparaît dans un état ferromagnétique proche d'environ 88 Kelvin, soit environ moins 185 degrés Celsius. Les calculs théoriques montrent que ce comportement magnétique est étroitement lié à la disposition des atomes de cobalt dans la structure locale en nid d'abeilles de CoO₆.
L'étude a également révélé que le matériau présente un couplage antiferromagnétique intercouche, c'est-à-dire que bien que la structure locale présente des caractéristiques magnétiques de type ferromagnétique, les directions des interactions magnétiques entre les différentes couches sont différentes. Cette interaction magnétique complexe constitue une base importante pour l’étude de nouveaux matériaux magnétiques quantiques.
Cependant, les chercheurs ont également clairement souligné qu'il n'existe actuellement aucune preuve que ce matériau à base de cobalt ait formé un liquide à spin quantique. Par conséquent, il n’est pas exact d’appeler directement cette réalisation « la découverte d’un liquide à spin quantique pouvant être utilisé pour l’informatique quantique ». Une affirmation plus précise à ce stade est que l’équipe de recherche a établi une nouvelle plate-forme matérielle présentant des caractéristiques magnétiques de type Kitaev et basée sur l’élément cobalt, plus courant.
Une autre signification importante de ce travail est que les chercheurs n'ont pas créé de force une structure en nid d'abeille grâce à une technologie d'arrangement atomique artificiel extrêmement complexe. Au lieu de cela, ils ont incorporé du cobalt dans NaSbO₃, qui possède déjà un réseau en nid d’abeilles, et ont permis aux atomes de cobalt de former eux-mêmes une structure locale en nid d’abeilles de CoO₆.
Les chercheurs ont déclaré que la capacité de ces structures en nid d'abeilles en cobalt à se former naturellement et à produire les signaux magnétiques évidents prédits par la théorie est un résultat passionnant de ces travaux. Cela signifie que des idées similaires de conception de matériaux pourraient être utilisées à l'avenir, en sélectionnant des matériaux ordinaires avec des structures de réseau spécifiques comme « modèles », puis en ajoutant des éléments magnétiques appropriés pour construire des matériaux quantiques qui ne pouvaient s'appuyer que sur des éléments rares dans le passé.
L'équipe de recherche peaufine actuellement la structure du matériau et teste ses propriétés quantiques plus en détail. Les questions importantes de la prochaine étape sont de savoir si les interactions magnétiques pertinentes peuvent être davantage améliorées et contrôlées, et si le matériau peut entrer dans un état quantique plus proche du modèle théorique de Kitaev en modifiant la concentration, la structure cristalline et le couplage intercouche du cobalt.
Par conséquent, l'importance de cette recherche se reflète temporairement davantage dans les domaines de la science fondamentale des matériaux et de la recherche sur le magnétisme quantique, plutôt que dans la création immédiate d'une nouvelle puce informatique quantique. Ce qu'il propose en réalité, c'est une nouvelle voie de conception de matériaux : utiliser le cobalt, qui est relativement abondant en réserves et relativement peu coûteux, pour construire des structures magnétiques spéciales locales dans les matériaux de réseau en nid d'abeilles existants, réduisant ainsi la dépendance à l'égard d'éléments rares tels que le ruthénium et l'iridium.
Si des recherches ultérieures peuvent prouver que ce système à base de cobalt présente une intrication quantique, une excitation topologique ou d'autres caractéristiques quantiques de type Kitaev plus fortes, il pourrait alors devenir une plate-forme expérimentale importante pour l'étude des liquides à spin quantique et de nouveaux matériaux quantiques, et pourrait également fournir de nouvelles orientations pour l'exploration future de matériaux quantiques plus faciles à fabriquer à grande échelle.
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