Un nouveau matériau candidat pour les liquides de spin quantique –

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  • En 1973, le physicien et plus tard lauréat du prix Nobel Philip W. Anderson a proposé un état bizarre de la matière: le liquide de spin quantique (QSL). Contrairement aux liquides de tous les jours que nous connaissons, le QSL a en fait à voir avec le magnétisme – et le magnétisme avec le spin.

    Le spin électronique désordonné produit des QSL

    Qu’est-ce qui fait un aimant? C’était un mystère de longue date, mais aujourd’hui nous savons enfin que le magnétisme provient d’une propriété particulière des particules subatomiques, comme les électrons. Cette propriété est appelée «rotation», et la meilleure façon – mais largement insuffisante – de la penser est comme un jouet à toupie pour enfant.

    Ce qui est important pour le magnétisme, c’est que le spin transforme chacun des milliards d’électrons d’un matériau en un minuscule aimant avec sa propre «direction» magnétique (pensez aux pôles nord et sud d’un aimant). Mais les spins d’électrons ne sont pas isolés; ils interagissent les uns avec les autres de différentes manières jusqu’à ce qu’ils se stabilisent pour former divers états magnétiques, conférant ainsi au matériau auquel ils appartiennent des propriétés magnétiques.

    Dans un aimant conventionnel, les spins en interaction se stabilisent et les directions magnétiques de chaque électron s’alignent. Il en résulte une formation stable.

    Mais dans ce que l’on appelle un aimant «frustré», les spins d’électrons ne peuvent pas se stabiliser dans la même direction. Au lieu de cela, ils fluctuent constamment comme un liquide – d’où le nom de «liquide de spin quantique».

    Quantum Spin Liquids dans les technologies futures

    Ce qui est intéressant avec les QSL, c’est qu’ils peuvent être utilisés dans un certain nombre d’applications. Parce qu’ils viennent dans différentes variétés avec des propriétés différentes, les QSL peuvent être utilisés dans l’informatique quantique, les télécommunications, les supraconducteurs, la spintronique (une variante de l’électronique qui utilise le spin électronique au lieu du courant), et une foule d’autres technologies basées sur les quantiques.

    Mais avant de les exploiter, nous devons d’abord acquérir une solide compréhension des états QSL. Pour ce faire, les scientifiques doivent trouver des moyens de produire des QSL à la demande – une tâche qui s’est avérée difficile jusqu’à présent, avec seulement quelques matériaux proposés en tant que candidats QSL.

    Un matériau complexe peut résoudre un problème complexe

    Publier dans PNAS, des scientifiques dirigés par Péter Szirmai et Bálint Náfrádi dans le laboratoire de László Forró à l’École des sciences fondamentales de l’EPFL ont produit et étudié avec succès un QSL dans un matériau très original appelé EDT-BCO. Le système a été conçu et synthétisé par le groupe de Patrick Batail à l’Université d’Angers (CNRS).

    La structure d’EDT-BCO est ce qui permet de créer un QSL. L’électron tourne dans l’EDT-BCO forme des dimères organisés de manière triangulaire, dont chacun a un moment magnétique spin-1/2, ce qui signifie que l’électron doit tourner complètement deux fois pour revenir à sa configuration initiale. Les couches de dimères spin-1/2 sont séparées par un sous-réseau d’anions carboxylates centré par un bicyclooctane chiral. Les anions sont appelés “rotors” car ils ont des degrés de liberté conformationnels et rotationnels.

    Le composant de rotor unique dans un système magnétique rend le matériau spécial parmi les candidats QSL, représentant une nouvelle famille de matériaux. «Le désordre subtil provoqué par les composants du rotor introduit une nouvelle poignée sur le système de rotation», explique Szirmai.

    Les scientifiques et leurs collaborateurs ont utilisé un arsenal de méthodes pour explorer l’EDT-BCO en tant que matériau candidat QSL: calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, mesures de résonance de spin électronique à haute fréquence (une marque déposée du laboratoire de Forró), résonance magnétique nucléaire et spectroscopie de spin muon . Toutes ces techniques explorent les propriétés magnétiques de l’EDT-BCO sous différents angles.

    Toutes les techniques ont confirmé l’absence d’ordre magnétique à longue portée et l’émergence d’un QSL. En bref, EDT-BCO rejoint officiellement les rangs limités des matériaux QSL et nous emmène encore plus loin dans la prochaine génération de technologies. Comme le dit Bálint Náfrádi: “Au-delà de la superbe démonstration de l’état QSL, notre travail est très pertinent, car il fournit un outil pour obtenir des matériaux QSL supplémentaires via des molécules de rotor fonctionnelles conçues sur mesure.”

    Source de l’histoire:

    Matériaux fourni par Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Original écrit par Sarah Perrin. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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