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40 ans après l’avoir prédit, un nouvel état de la matière a été découvert

6 Avr 2016 | 5 commentaires

liquide de spin quantique

Le “liquide de spin quantique”, un état de la matière prédit il y a plus de quarante ans, a finalement été découvert par une équipe de l’université de Cambridge en collaboration avec le laboratoire national d’Oak Ridge (Tennessee).

En  physique de la matière condensée, le liquide de spin quantique est un état qui peut être atteint dans un système de spins quantiques interagissant. L’état est considéré comme un “liquide”, face à son état “désordonné” par rapport à un état de spin ferromagnétique. Cela peut être comparé à la façon dont est “désordonnée” l’eau à l’état liquide par rapport à la glace cristalline. Cependant, contrairement à d’autres états désordonnés, un liquide de spin quantique conserve son désordre à de très basses températures.

L’état amène les électrons à « se briser en morceaux », en de plus petites quasiparticules, alors qu’ils sont généralement estimés comme étant “des blocs de construction indivisibles », et que “cet état n’a jamais été vu avant », selon Johannes Knolle, l’un des coauteurs de l’étude.

Ces électrons, précédemment indivisibles, qui se “fractionnement en morceaux” pourraient avoir des implications profondes, notamment dans le domaine des ordinateurs quantiques. La “fractionnalisation” (dans le texte) des électrons donne des “fermions de Majorana« , qui pourraient être les blocs constitutifs de ces machines quantiques.

L’existence du liquide de spin quantique a été proposée dans les années 1970 et soutenue dans les années 1980. Il avait pendant longtemps été estimé pour être présent dans les matériaux magnétiques, mais sans jamais avoir été observé.

Selon Dmitry Kovrizhin, coauteur de l’étude :

Jusqu’à récemment, on ne savait même pas à quoi pouvaient ressembler les empreintes digitales expérimentales d’un liquide de spin quantique.

L’équipe explique que, typiquement, les électrons se comportent comme « de petites barres d’aimants », mais les matériaux arborant un état liquide de spin forment plutôt une “soupe intriquée” au lieu d’être plus organisés.

Pour être un peu plus clair, les électrons ne se décomposent pas réellement en de petites particules physiques, ce qui serait une bien plus grande découverte, de nouvelles particules seraient créées dans le processus !. Au lieu de ça, le nouvel état de la matière décompose les électrons en, comme le Guru l’indiquait plus haut, quasiparticules. Ce ne sont pas de réelles particules, mais des concepts utilisés par les physiciens pour expliquer et calculer le comportement étrange des particules (et là, le Guru se dit que cela ne vous a peut-être pas vraiment aidé…)

L’équipe a utilisé « des techniques de diffusion de neutrons » pour chercher des traces de cet enchevêtrement, éclairant une poudre (alpha-ruthenium chloride, de structure similaire au graphène) avec des neutrons pour observer le modèle d’ondulations créées par un champ magnétique. Normalement, les champs magnétiques produisent « des lignes distinctes et nettes », mais les poudres contenant du liquide de spin quantique ont produit, à la place, de « larges bosses ».

L’étude publiée dans Nature Materials : Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet et annoncée sur le site de l’université de Cambridge : New state of matter detected in a two-dimensional material. Image d’entête : excitation d’un liquide de spin sur une grille en nid d’abeille avec des neutrons. (Geneviève Martin, Oak Ridge National Laboratory).

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