Observation de l’état liquide de spin quantique dans un nouveau matériau

Observation de l'état liquide de spin quantique dans un nouveau matériau

L'histoire de l'état de spin: observation de l'état liquide de spin quantique dans un nouveau matériau

Un état QSL peut être observé expérimentalement, ce qui a fait progresser nos connaissances sur le comportement du spin et son intégration dans des appareils « spintroniques » de prochaine génération. Crédit: Université des sciences de Tokyo

Outre la compréhension profonde du monde naturel qu’offre la théorie de la physique quantique, les scientifiques du monde entier s’efforcent de provoquer une révolution technologique en tirant parti de ces nouvelles connaissances dans les applications d’ingénierie. La spintronique est un domaine émergent qui vise à dépasser les limites de l’électronique traditionnelle en utilisant le spin des électrons, qui peut être grossièrement considéré comme leur rotation angulaire, comme moyen de transmission d’informations.


Mais la conception d’appareils qui peuvent fonctionner en utilisant le spin est extrêmement difficile et nécessite l’utilisation de nouveaux matériaux dans des états exotiques, même certains que les scientifiques ne comprennent pas pleinement et n’ont pas encore expérimentalement observés. Dans une étude récente publiée dans Communications Nature, des scientifiques du Département de physique appliquée de l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, décrivent un composé nouvellement synthétisé de formule KCu6AlBiO4(ALORS4)5Cl qui peut être la clé pour comprendre l’état insaisissable du «liquide de spin quantique (QSL)». Le scientifique principal, le Dr Masayoshi Fujihala, explique sa motivation: « L’observation d’un état QSL est l’un des objectifs les plus importants en physique de la matière condensée ainsi que le développement de nouveaux dispositifs spintroniques. Cependant, l’état QSL en deux dimensions (2- D) les systèmes n’ont pas été clairement observés dans les matériaux réels en raison de la présence de désordres ou d’écarts par rapport aux modèles idéaux. « 

Quel est l’état liquide du spin quantique? Dans les matériaux antiferromagnétiques en dessous de températures spécifiques, les spins d’électrons s’alignent naturellement en motifs à grande échelle. Dans les matériaux dans un état QSL, cependant, les spins sont désordonnés d’une manière similaire à la façon dont les molécules dans l’eau liquide sont désordonnées par rapport à la glace cristalline. Ce trouble provient d’un phénomène structurel appelé frustration, dans lequel il n’y a pas de configuration possible de spins symétrique et énergétiquement favorable à tous les électrons. KCu6AlBiO4(ALORS4)5Cl est un composé nouvellement synthétisé dont les atomes de cuivre sont disposés selon un motif 2D particulier connu sous le nom de «réseau de kagome carré (SKL)», un arrangement qui devrait produire un état QSL par frustration. Le professeur Setsuo Mitsuda, co-auteur de l’étude, déclare: « Le manque d’un composé modèle pour le système SKL a empêché une compréhension plus profonde de son état de spin. Motivé par cela, nous avons synthétisé KCu6AlBiO4(ALORS4)5Cl, le premier antiferromagnet SKL, et a démontré l’absence d’ordre magnétique à des températures extrêmement basses – un état QSL. « 

Cependant, les résultats expérimentaux obtenus n’ont pas pu être reproduits par des calculs théoriques utilisant un standard « J1-J2-J3 Modèle SKL Heisenberg « . Cette approche prend en compte les interactions entre chaque ion cuivre du réseau cristallin et ses voisins les plus proches. Le co-auteur Dr. Katsuhiro Morita explique: » Pour essayer d’éliminer la divergence, nous avons calculé un modèle SKL en considérant le plus proche- interactions avec les voisins à l’aide de divers ensembles de paramètres. Pourtant, nous n’avons pas pu reproduire les résultats expérimentaux. Par conséquent, pour comprendre l’expérience correctement, nous devons calculer le modèle avec d’autres interactions. « 

Ce désaccord entre l’expérience et les calculs met en évidence la nécessité d’affiner les approches théoriques existantes, comme le conclut le co-auteur, le professeur Takami Tohyama: « Bien que l’antiferromagnet SKL que nous avons synthétisé soit un premier candidat pour étudier le magnétisme SKL, nous pourrions avoir à envisager des interactions à plus long terme pour obtenir un liquide de spin quantique dans nos modèles. Cela représente un défi théorique pour dévoiler la nature de l’état QSL.  » Espérons que les physiciens parviendront à relever ce défi pour nous rapprocher encore plus de la merveilleuse promesse de la spintronique.


Technologies de l’information du futur: dévoilement d’un liquide de spin quantique 3D


Plus d’information:
Masayoshi Fujihala et al. Liquide de spin sans Gapless dans un antiferromagnet à réseau carré Kagome, Communications Nature (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-17235-z

Fourni par l’Université des sciences de Tokyo

Citation: L’histoire de l’état de spin: observation de l’état liquide de spin quantique dans un nouveau matériau (2020, 9 juillet) récupéré le 9 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-state-story-quantum-liquid-material .html

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