Approche en trois volets distingue les caractéristiques des liquides de spin quantique.

16 novembre 2023

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par Elizabeth Rosenthal, Oak Ridge National Laboratory

En 1973, le physicien Phil Anderson a émis l'hypothèse que l'état de liquide à spin quantique, ou QSL, existait dans certains réseaux triangulaires, mais il ne disposait pas des outils nécessaires pour approfondir. Cinquante ans plus tard, une équipe de chercheurs associés au Quantum Science Center, dont le siège est au Oak Ridge National Laboratory du Department of Energy, a confirmé la présence de comportements QSL dans un nouveau matériau de structure KYbSe2.

Les QSL, un état inhabituel de la matière contrôlé par les interactions entre des atomes magnétiques liés, appelés spins, excellent dans la stabilisation de l'activité quantique dans le KYbSe2 et d'autres délafossites. Ces matériaux sont appréciés pour leurs réseaux triangulaires en couches et leurs propriétés prometteuses qui pourraient contribuer à la construction de supraconducteurs de haute qualité et de composants de calcul quantique.

L'article, publié dans Nature Physics, présente des chercheurs de l'ORNL (Oak Ridge National Laboratory), du Lawrence Berkeley National Laboratory, du Los Alamos National Laboratory, du SLAC National Accelerator Laboratory, de l'University of Tennessee, Knoxville, de l'University of Missouri, de l'University of Minnesota, de Stanford University et de l'Instituto de Fisica Rosario.

« Les chercheurs ont étudié les réseaux triangulaires de différents matériaux à la recherche de comportements QSL », a déclaré Allen Scheie, membre du QSC et premier auteur de l'étude, qui est scientifique au Los Alamos. « Un avantage de celui-ci est que nous pouvons facilement échanger les atomes pour modifier les propriétés du matériau sans en altérer la structure, ce qui en fait une perspective scientifique assez idéale. »

En utilisant une combinaison de techniques théoriques, expérimentales et computationnelles, l'équipe a observé plusieurs caractéristiques des QSL : l'entrelacement quantique, les quasi-particules exotiques et le bon équilibre des interactions d'échange, qui contrôlent l'influence d'un spin sur ses voisins. Bien que les efforts pour identifier ces caractéristiques aient été entravés par les limites des expériences physiques, les instruments modernes de diffusion des neutrons peuvent produire des mesures précises de matériaux complexes au niveau atomique.

En examinant la dynamique de spin du KYbSe2 avec le spectromètre de neutrons à hache froide du Spallation Neutron Source de l'ORNL, une installation de recherche de la DOE Office of Science, et en comparant les résultats à des modèles théoriques fiables, les chercheurs ont trouvé des preuves que le matériau était proche du point critique quantique où les caractéristiques des QSL prospèrent. Ils ont ensuite analysé son état magnétique à un seul ion avec le spectromètre à hache à grand angle de SNS.

Les témoins en question sont l'information quantique Fischer, le one-tangle et le two-tangle, qui ont joué un rôle clé dans les recherches antérieures du QSC axées sur l'examen d'une chaîne de spin unidimensionnelle, ou d'une seule ligne de spins à l'intérieur d'un matériau. KYbSe2 est un système 2D, une caractéristique qui a rendu ces efforts plus complexes.

« Nous adoptons une approche de co-conception, qui est intégrée dans le QSC », a déclaré Alan Tennant, professeur de physique et de science des matériaux à l'UTK, qui dirige un projet sur les aimants quantiques pour le QSC. « Les théoriciens au sein du centre calculent des choses qu'ils n'avaient pas pu calculer auparavant, et ce chevauchement entre théorie et expérience a permis cette percée dans la recherche sur les QSL. »

Cette étude s'inscrit dans les priorités du QSC, qui comprennent la connexion de la recherche fondamentale aux dispositifs électroniques quantiques, aux aimants quantiques et à d'autres dispositifs quantiques actuels et futurs.

« Une meilleure compréhension des QSL est vraiment significative pour le développement des technologies de nouvelle génération », a déclaré Tennant. « Ce domaine est encore à l'état de recherche fondamentale, mais nous pouvons maintenant identifier quels matériaux nous pouvons modifier pour potentiellement fabriquer des dispositifs à petite échelle à partir de zéro. »

Bien que le KYbSe2 ne soit pas un véritable QSL, le fait que près de 85 % de son magnétisme fluctue à basse température signifie qu'il a le potentiel de le devenir. Les chercheurs estiment que de légères modifications de sa structure ou une exposition à une pression externe pourraient éventuellement l'amener à atteindre 100 %.

Les expérimentalistes du QSC et les scientifiques en calcul planifient des études parallèles et des simulations axées sur les matériaux délafossites, mais les découvertes des chercheurs ont établi un protocole sans précédent qui peut également être appliqué à l'étude d'autres systèmes. En rationalisant les évaluations basées sur des preuves des candidats QSL, ils visent à accélérer la recherche de véritables QSL.

'The important thing about this material is that we've found a way to orient ourselves on the map so to speak and show what we've gotten right,' Scheie said. 'We're pretty sure there's a full QSL somewhere within this chemical space, and now we know how to find it.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Oak Ridge National Laboratory