Une équipe de recherche internationale, dont le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- a découvert un état quantique qui pourrait être décrit de cette manière. Les scientifiques ont réussi à refroidir un matériau spécial à une température proche du zéro absolu. Ils ont découvert qu'une propriété centrale des atomes - leur alignement - ne se "gelait" pas comme d'habitude, mais restait à l'état "liquide".
Dans matériaux quantiques, les électrons interagissent avec une intensité inhabituelle, à la fois entre eux et avec les atomes du réseau cristallin. Cette connexion étroite produit de puissants effets quantiques qui ont un impact sur les niveaux microscopiques et macroscopiques. Ces phénomènes confèrent aux matériaux quantiques des qualités extraordinaires. Par exemple, à basse température, ils peuvent transporter de l'électricité sans perte. Souvent, même de petites variations de température, de pression ou de tension électrique suffisent à modifier de manière significative le comportement d'un matériau.
Le professeur Jochen Wosnitza du laboratoire magnétique à champ élevé (HLD) de Dresde au HZDR a déclaré : « En principe, les aimants peuvent également être considérés comme des matériaux quantiques ; après tout, le magnétisme est basé sur le spin intrinsèque des électrons dans le matériau. À certains égards, ces spins peuvent se comporter comme un liquide.
"Lorsque les températures chutent, ces rotations désordonnées peuvent geler, un peu comme l'eau gèle en glace."
« Par exemple, certains types de aimants, appelés ferromagnétiques, sont non magnétiques au-dessus de leur point de « congélation », ou plus précisément, de leur point d'ordre. Ce n'est que lorsqu'ils descendent en dessous qu'ils peuvent devenir des aimants permanents.
Dans cette étude, les scientifiques ont cherché à découvrir un état quantique dans lequel l'alignement atomique associé aux spins ne s'ordonnait pas, même à des températures ultra-froides - semblable à un liquide qui ne se solidifierait pas, même par froid extrême.
Pour atteindre cet état, l'équipe de recherche a utilisé une substance unique, un mélange de praséodyme, de zirconium et d'oxygène. Ils pensaient que les caractéristiques du réseau cristallin de ce matériau permettraient aux spins des électrons d'interagir uniquement avec leurs orbitales autour des atomes.
Le professeur Satoru Nakatsuji de l'Université de Tokyo a déclaré : "La condition préalable, cependant, était d'avoir des cristaux d'une pureté et d'une qualité extrêmes. Il a fallu plusieurs tentatives, mais finalement, l'équipe a réussi à produire des cristaux suffisamment purs pour leur expérience : dans un cryostat, une sorte de super thermos, les experts ont progressivement refroidi leur échantillon jusqu'à 20 millikelvin, soit à peine un cinquantième de degré. au-dessus du zéro absolu. Pour voir comment l'échantillon a réagi à ce processus de refroidissement et à l'intérieur du champ magnétique, ils ont mesuré combien il a changé de longueur. Dans une autre expérience, le groupe a enregistré comment le cristal réagissait aux ondes ultrasonores directement envoyées à travers lui.
Le Dr Sergei Zherlitsyn, expert de HLD en échographie, décrit, "Si les spins avaient été commandés, cela aurait dû provoquer un changement brusque dans le comportement du cristal, comme un changement soudain de longueur. Pourtant, comme nous l'avons observé, rien ne s'est passé ! Il n'y a pas eu de changements soudains dans la longueur ou sa réponse à ondes ultrasonores. »
"L'interaction prononcée des spins et des orbitales avait empêché l'ordre, c'est pourquoi les atomes sont restés dans leur état quantique liquide - la première fois qu'un tel état quantique était observé. D'autres investigations dans les champs magnétiques ont confirmé cette hypothèse.
Jochen Wosnitza spécule, « Ce résultat de recherche fondamentale pourrait également avoir un jour des implications pratiques : à un moment donné, nous pourrions être en mesure d'utiliser le nouvel état quantique pour développer des capteurs quantiques sensibles. Pour ce faire, cependant, nous devons encore comprendre comment générer systématiquement des excitations dans cet état. La détection quantique est considérée comme une technologie prometteuse du futur. Parce que leur nature quantique les rend extrêmement sensibles aux stimuli externes, les capteurs quantiques peuvent enregistrer des champs magnétiques ou des températures avec une précision bien supérieure à celle des capteurs conventionnels.
Journal de référence:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Etat liquide spin–orbital et transition métamagnétique liquide–gaz sur un réseau de pyrochlore. Nat. physiques. (2022). EST CE QUE JE: 10.1038/s41567-022-01816-4
