Une glace quantique d'octupoles magnétiques électroniques

Publié par Adrien le 06/07/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Une équipe internationale de physiciennes et de physiciens a mis en évidence par diverses techniques, dont la diffusion des neutrons, un exemple de contrepartie quantique des glaces de spin. Plus précisément, il s'agit d'un état "glacé" particulier, où la distribution octupolaire de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides...) électronique joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et...) le rôle des moments magnétiques dans les glaces de spins classiques. L'étude des interactions montre que l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) est constitué d'une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement...) quantique d'états intriqués, confirmant ainsi les prédictions théoriques sur les liquides de spins quantiques.


États "glacés" de la matière:
- Dans la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (à gauche), les quatre atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (en bleu) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (en rouge) sont disposés de manière aléatoire, mais toujours tels que deux d'entre eux sont proches et deux sont éloignés.
- Dans la glace de spins (au centre), les moments magnétiques dipolaires de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) choisis de manière appropriée obéissent à la même règle "2-in-2-out".
- Dans la glace octupolaire découverte par Sibille et al., les sommets du tétraèdre (Le tétraèdre (du grec tétra : quatre), est un solide composé de quatre triangles, de la famille des pyramides, donc des cônes.) sont occupés par des octupoles magnétiques (à droite).

Leurs degrés de liberté magnétiques, représentés ici par la distribution de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) magnétique correspondante, sont contraints par une règle de glace analogue (les deux directions d'aimantation différentes sont mises en évidence par les flèches de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et bleue le long des bords).

Images: Nicolas Gauthier

La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) de nouveaux états de la matière, allant au-delà de la description classique "à la Landau" suscite un très fort engouement en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...). Dans cette perspective, les travaux théoriques orientent ces recherches vers les systèmes présentant des "ordres topologiques", tels que certains "liquides de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse...) quantiques" et autres états fortement corrélés, caractérisés en particulier par l'absence de symétrie brisée.

Sur le plan expérimental, c'est la recherche d'une contrepartie quantique des "glaces de spins" qui a retenu l'attention. Ces composés forment un analogue magnétique de la glace d'eau, où le comportement des spins reflète exactement celui du désordre des protons dans H2O.

Une équipe internationale formée de chercheurs du PSI (Pour les articles homonymes, voir Psi et Psy.) (Suisse), du Stanford Institute for Materials and Energy Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large....) (USA), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Néel à Grenoble et du LLB à Saclay a mis en évidence par diverses techniques, dont la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation »...) des neutrons, un exemple de cette contrepartie quantique des glaces de spin. Plus précisément, il s'agit d'un état "glacé" particulier, où la distribution octupolaire de la densité électronique joue le rôle des moments magnétiques dans les glaces de spins classiques. L'étude des interactions montre que l'état fondamental est constitué d'une superposition quantique d'états intriqués, confirmant ainsi les prédictions théoriques sur les liquides de spins quantiques.
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