Les chercheurs de l’Université Brown ont fait de grands progrès dans la compréhension de l’état complexe de la matière connu sous le nom de liquides à spin quantique. Contrairement aux aimants standards, qui se solidifient à mesure que leur température diminue, les liquides de spin quantique restent dans un état de fluctuation. Une étude récente, axée sur le composé H3LiIr2O6, donne un aperçu du rôle du désordre dans ces matériaux. Ils ont découvert que l’état liquide quantique n’était pas imité ou détruit par le désordre, mais qu’il était considérablement modifié. Ces recherches apportent de l’espoir pour la technologie quantique, notamment dans le domaine de l’informatique quantique.

Une étude menée par des scientifiques de l’Université Brown commence à répondre à une question de longue date en physique de la matière condensée : si le désordre imite ou détruit l’état liquide quantique dans un composé important. Les liquides de spin quantique sont difficiles à expliquer et encore plus difficiles à comprendre.

Premièrement, les liquides à spin quantique n’ont rien à voir avec les liquides du quotidien comme l’eau ou le jus, mais plutôt avec des aimants spéciaux et la façon dont ils tournent. Dans un aimant normal, lorsque la température diminue, les spins des électrons gèlent essentiellement, formant une masse solide. Cependant, dans les liquides à spin quantique, les spins des électrons ne gèlent pas ; les électrons restent dans un flux constant, comme dans un liquide à écoulement libre.

Les liquides de spin quantique comptent parmi les états quantiques les plus intriqués jamais conçus, et leurs propriétés sont essentielles aux applications qui, selon les scientifiques, pourraient faire progresser le développement de la technologie quantique. Malgré 50 ans d’exploration des liquides de spin quantique et de multiples théories suggérant leur existence, personne n’a jamais vu de preuve définitive de cet état de la matière. En fait, les chercheurs ne verront peut-être jamais de telles preuves parce qu’il est très difficile de mesurer directement l’intrication quantique, un phénomène qu’Einstein a surnommé « l’action effrayante à distance ». Ce phénomène a été appelé « action effrayante à distance » par Einstein, c'est-à-dire que deux atomes sont liés ensemble et peuvent échanger des informations quelle que soit leur distance.

Le rôle du désordre dans les liquides de spin quantique

Le mystère des liquides de spin quantique soulève des questions majeures sur ce matériau exotique en physique de la matière condensée, qui restent à ce jour sans réponse. Mais dans un nouvel article publié dans Nature Communications, une équipe de physiciens dirigée par l’Université Brown entreprend de résoudre l’une des questions les plus importantes, et ce en introduisant une nouvelle phase de la matière. Tout cela se résume au désordre.

"Tous les matériaux sont désordonnés dans une certaine mesure", a expliqué Kemp-Plumb, professeur adjoint de physique à l'Université Brown et auteur principal de la nouvelle étude, et le désordre est lié au nombre de manières microscopiques dont les composants d'un système sont disposés. Par exemple, les systèmes ordonnés (tels que les cristaux solides) disposent de peu de moyens de se réorganiser, tandis que les systèmes désordonnés (tels que les gaz) n’ont pas de véritable structure.

Dans les liquides à spin quantique, la différence provoquée par le désordre va essentiellement à l’encontre de la théorie derrière le liquide. Une explication populaire est que lorsque le désordre est introduit, le matériau n’est plus un liquide à spin quantique mais simplement un aimant dans un état désordonné. "La grande question est donc de savoir si les états liquides de spin quantique peuvent survivre au désordre, et si oui, comment ?" » dit Plum.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé les rayons X les plus brillants au monde pour analyser les ondes magnétiques dans les composés étudiés, à la recherche d'indices sur les liquides à spin quantique. Les mesures montrent que non seulement le matériau ne s’ordonne pas magnétiquement (ni ne gèle) à basse température, mais que les états désordonnés présents dans le système n’imitent ni ne perturbent l’état liquide quantique.

Ils ont constaté que le désordre modifie considérablement cet état.

"L'état liquide quantique est viable", a déclaré Plum. "Il ne gèle pas comme un aimant normal. Il maintient cet état dynamique, mais c'est comme une version décorrélée de l'état dynamique. Notre explication est maintenant que le liquide de spin quantique est divisé en petites flaques dans tout le matériau."

Impact et recherches futures

Les résultats montrent essentiellement que le matériau qu’ils ont étudié est l’un des principaux candidats pour les liquides à spin quantique, et qu’il semble proche des liquides à spin quantique, mais il contient un ingrédient supplémentaire. Les chercheurs pensent qu’il s’agit d’un liquide de spin quantique désordonné, une nouvelle étape de la matière désordonnée.

"Une chose qui pourrait arriver dans ce matériau est qu'il se transforme en une version désordonnée de l'état liquide à spin non quantique, mais nos mesures nous le diraient. Au lieu de cela, nos mesures montrent qu'il s'agit d'un état très différent", a déclaré Plum.

Ces résultats approfondissent notre compréhension de la manière dont le désordre affecte les systèmes quantiques et de la manière de l’interpréter, ce qui est important pour explorer les applications de ces matériaux en informatique quantique.

Ce travail fait partie d’une étude de longue date sur les états magnétiques exotiques menée au Plum Lab de l’Université Brown. L’étude s’est concentrée sur le composé H3LiIr2O6, un matériau considéré comme le meilleur prototype d’un type spécial de liquide de spin quantique connu sous le nom de liquide de spin Kitaev. Bien que l’on sache que le H3LiIr2O6 ne gèle pas à basse température, il est notoirement difficile à produire en laboratoire, et on sait qu’il existe des désordres dans le H3LiIr2O6, ce qui ne permet pas de savoir si le H3LiIr2O6 est réellement un liquide de rotation.

Des chercheurs de l'Université Brown, en collaboration avec des collaborateurs du Boston College, ont synthétisé le matériau puis l'ont irradié avec une lumière à haute énergie à l'aide d'un puissant système à rayons X du Laboratoire national d'Argonne dans l'Illinois. La lumière excite le magnétisme dans les composés, et le mesurer à partir des ondes qu’elle crée constitue une solution de contournement pour mesurer l’intrication, car elle permet de voir comment la lumière affecte l’ensemble du système.

Les chercheurs espèrent continuer à développer ces travaux en améliorant la méthode, les matériaux eux-mêmes et en étudiant différents matériaux.

"La chose la plus importante à l'avenir est ce que nous avons fait, c'est-à-dire continuer à rechercher le très vaste espace de matériaux que nous offre le tableau périodique", a déclaré Plum. "Maintenant, nous comprenons bien mieux comment différentes combinaisons d'éléments affectent les interactions ou créent différents types de troubles qui affectent les liquides de spin. Nous disposons de beaucoup plus de conseils, et c'est vraiment important car il s'agit d'un domaine très vaste à explorer."