Des chercheurs chinois, français et australiens ont découvert de nouvelles preuves d'un état quantique exotique de la matière appelé supersolide de spin. La découverte, réalisée dans un matériau antiferromagnétique doté d'une structure de réseau atomique triangulaire, représente une avancée majeure en physique fondamentale et pourrait également contribuer au développement de nouvelles techniques de refroidissement ne nécessitant pas d'hélium liquide, car le matériau présente également un effet magnétocalorique géant.

Comme leur nom l'indique, les supersolides sont des matériaux qui s'écoulent sans friction (comme un superfluide) même si les particules qui les composent sont disposées dans un réseau cristallin (comme un solide). Ainsi, ces matériaux brisent deux symétries continues : l'invariance translationnelle, due à l'ordre cristallin ; et une symétrie de jauge, en raison de l'écoulement sans friction du matériau.

Les théoriciens ont prédit dans les années 1960 que les supersolides devraient exister dans les solides quantiques avec des lacunes bosoniques mobiles, c'est-à-dire des lacunes laissées par les atomes avec des valeurs de spin entières se déplaçant à travers le réseau cristallin. À partir des années 1980, la recherche expérimentale s’est concentrée sur des indices selon lesquels une supersolidité pourrait se produire dans l’hélium-4 superfluide. En 2004, des physiciens de l'Université d'État de Pennsylvanie aux États-Unis ont rapporté des preuves de supersolidité dans ce matériau. Cependant, une enquête plus approfondie menée par les mêmes chercheurs ont révélé qu'ils s'étaient trompés, et leurs observations pourraient être expliqué d'une autre manière.

Des expériences plus récentes ont montré que les gaz quantiques dipolaires allongés dans une direction peuvent subir une transition de phase d'un condensat de Bose-Einstein (BEC) régulier à un état doté de propriétés supersolides. Les atomes des gaz dipolaires ont des moments magnétiques importants et ce sont les interactions entre eux qui donnent naissance à la supersolidité dans ces systèmes.

Des couches de preuves

Des chercheurs dirigés par Gang Su au Université de l'Académie chinoise des sciences (CAS) à Pékin disent maintenant avoir trouvé l'analogue magnétique quantique d'un supersolide dans un antiferromagnétique récemment synthétisé avec la formule chimique Na₂BaCo(PO₄)₂. Ce composé, connu sous le nom de NBCP, présente également un effet magnétocalorique géant, ce qui signifie qu'il se réchauffe et se refroidit considérablement lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué et supprimé.

Su et ses collègues Wei Li des Institut de physique théorique, CAS; Junsen Xiang ainsi que le Peijie Soleil du Institut de physique, CASEt Wentao Jin at Université Beihang ont effectué leurs mesures magnétocaloriques à des températures inférieures à 1 K. L'excellent accord entre leurs données expérimentales et les calculs théoriques des transitions de phase quantiques supersolides les a convaincus qu'ils observaient un nouveau supersolide de spin.

Une confirmation supplémentaire est venue des preuves microscopiques obtenues en menant des expériences de diffraction neutronique sur des échantillons de haute qualité de NBCP au laboratoire. Institut Laue-Langevin en France et dans Organisation australienne des sciences et technologies nucléaires. "Les pics de diffraction ont révélé un ordre à trois sous-réseaux dans le plan, un ordre solide et une incommensurabilité dans la direction hors du plan", explique Su. "Ce dernier peut être lié à l'existence de modes Goldstone sans interruption (une forme de rupture de symétrie dans les bosons) et soutient donc l'existence d'une superfluidité de spin dans le composé."

Un nouvel état quantique de la matière et un nouveau mécanisme de refroidissement

L’équipe CAS a choisi d’étudier le NBCP car il présente de fortes fluctuations de spin à basse énergie, indiquant un possible état liquide de spin quantique. C'est également un antiferromagnétique, ce qui signifie que contrairement aux ferromagnétiques conventionnels, qui ont des spins électroniques parallèles, ses spins électroniques ont tendance à s'aligner de manière antiparallèle les uns par rapport aux autres. Cet anti-alignement conduit à de fortes interactions entre les spins.

Après qu'un des membres de l'équipe ait suggéré qu'un supersolide de spin pourrait exister dans le NBCP, Li et Gang ont demandé à leurs collègues expérimentateurs Xiang, Jin et Sun s'il était possible de rechercher de nouveaux états de spin quantique dans le composé. "Ils l'ont fait et ont observé le nouvel état quantique de la matière, le supersolide de spin", se souvient Li.

En plus de révéler un nouvel état quantique de la matière, cette découverte pourrait également conduire à de nouvelles méthodes de refroidissement sous Kelvin sans hélium. Ceux-ci sont très recherchés pour la science des matériaux, la technologie quantique et les applications spatiales, entre autres, explique Li. Monde de la physique.

Li explique qu'il existe actuellement deux manières principales de refroidir les matériaux à des températures de quelques Kelvin. La première consiste à utiliser de l'hélium, qui devient liquide à des températures inférieures à 4.15 K. La seconde consiste à exploiter l'effet magnétocalorique, dans lequel certains matériaux changent de température sous l'influence d'un champ magnétique appliqué. Ces deux techniques ont leurs inconvénients : l’hélium est rare et donc cher, tandis que la classe spéciale de composés utilisés pour le refroidissement magnétocalorique (appelés sels paramagnétiques hydratés) présente une faible densité d’entropie magnétique, une mauvaise stabilité chimique et une faible conductivité thermique. Cependant, Li affirme que l’effet magnétocalorique géant dans le supersolide de spin récemment découvert pourrait « surmonter efficacement ces inconvénients » en exploitant les excitations collectives de spin à faibles énergies.

À la recherche d'autres supersolides de spin

Les chercheurs tentent maintenant d’obtenir des preuves dynamiques supplémentaires de la supersolidité de spin dans le NBCP. À cette fin, Jin affirme qu’ils effectuent des mesures de diffusion inélastique des neutrons pour étudier les modes de Goldstone associés à l’ordre superfluide de spin. Ils prévoient également de mener des expériences de diffraction de neutrons polarisés pour renforcer davantage leurs résultats.

Enfin, l’équipe étudie d’autres composés de réseau triangulaire dans le but d’identifier des états supersolides de spin supplémentaires ou d’autres états de spin exotiques. « Ce faisant, nous espérons mieux comprendre les phénomènes physiques sous-jacents qui donnent naissance à ces fascinantes phases quantiques de la matière », explique Su.

Leur présente étude est détaillée dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/