Un matériau considéré comme un liquide à spin quantique présente en réalité un état magnétique nouvellement identifié, provoqué par des interactions ferromagnétiques et antiferromagnétiques concurrentes.
Les matériaux qui entrent dans une phase liquide de spin quantique attirent une attention particulière en raison de leurs propriétés inhabituelles et de leurs applications potentielles.informatique quantique. Cependant, le monde quantique présente souvent des résultats surprenants. Une étude récente publiée dansAvancées scientifiqueset co-dirigé parLe physicien Pengcheng Dai a découvert que l'hexaluminate de cérium et de magnésium (CeMgAl11O19) ne forme pas réellement un liquide de spin quantique, même si des observations antérieures semblaient aller dans cette direction.
"Le matériau a été classé comme liquide à spin quantique en raison de deux propriétés : l'observation d'un continuum d'états et l'absence d'ordre magnétique", a déclaré Bin Gao, co-premier auteur et chercheur scientifique à Rice. "Mais une observation plus approfondie du matériau a montré que la cause sous-jacente de ces observations n'était pas une phase liquide de spin quantique."
Dans les matériaux isolants tels que CeMgAl11O19, les ions magnétiques comme le cérium peuvent adopter l'une des deux dispositions suivantes : ferromagnétique ou antiferromagnétique. Dans un état ferromagnétique, un ion a tendance à influencer les ions proches pour qu’ils s’alignent dans la même direction, conduisant à une structure dans laquelle les moments magnétiques pointent dans la même direction. Dans un état antiferromagnétique, les ions voisins s’orientent dans des directions opposées, créant un motif alterné. Les chercheurs peuvent observer comment ces arrangements magnétiques se forment en refroidissant le matériau à des températures proches dezéro absolu.
États ferromagnétiques et antiferromagnétiques dans les matériaux magnétiques
À des températures extrêmement basses, les matériaux non quantiques conventionnels se stabilisent dans une seule configuration à faible énergie une fois que leurs ions s'alignent dans l'un de ces états magnétiques. Étant donné que tous les ions adoptent un arrangement ferromagnétique ou antiferromagnétique, les chercheurs n’observent généralement qu’un seul état stable de faible énergie.
Les liquides de spin quantique se comportent différemment. Même à des températures proches du zéro absolu, ces matériaux ne se stabilisent pas dans une configuration unique. Au lieu de cela, les effets de la mécanique quantique leur permettent de passer continuellement d’un état à faible énergie à un autre. Ce comportement dynamique produit un continuum d’états plutôt qu’un seul. Cela empêche également le matériau de développer un motif magnétique fixe, ce qui signifie que des arrangements ferromagnétiques et antiferromagnétiques apparaissent au lieu d'une structure ordonnée unique.
CeMgAl11O19 présentait ces deux caractéristiques. Il ne montrait aucun ordre magnétique clair et produisait un continuum d’états. Cependant, une analyse détaillée a révélé que ce comportement ne provenait pas d’un véritable liquide à spin quantique. Au lieu de cela, cela résultait d’une dégénérescence des états provoquée par des interactions ferromagnétiques et antiferromagnétiques concurrentes au sein du matériau.
Enquête sur le comportement magnétique inhabituel de CeMgAl11O19
"Nous étions intéressés par ce matériau, qui présentait un ensemble de caractéristiques que nous n'avions jamais vues auparavant", a déclaré Tong Chen, co-premier auteur et chercheur scientifique à Rice. "Ce n'était pas un liquide à spin quantique, mais nous observions ce que nous pensions être des comportements associés aux liquides à spin quantique."
Pour comprendre la source de ces signaux inhabituels, l’équipe de recherche a utilisé des expériences de diffusion de neutrons ainsi que des mesures supplémentaires. Leurs résultats suggèrent fortement que la frontière séparant les états ferromagnétiques et antiferromagnétiques dans CeMgAl11O19 est plus faible que dans la plupart des matériaux magnétiques. En raison de cette frontière plus faible, les ions magnétiques peuvent basculer plus facilement entre les deux possibilités.
En conséquence, les ions ne se verrouillent pas dans une seule configuration ordonnée. Au lieu de cela, certains adoptent un alignement ferromagnétique tandis que d’autres restent antiferromagnétiques au sein de la même structure. Ce mélange empêche la formation d'un ordre magnétique à longue portée.
L'absence d'ordre augmente également le nombre de configurations possibles à faible consommation d'énergie disponibles pour le matériau. Lorsqu'il est refroidi à un niveau proche du zéro absolu, CeMgAl11O19 peut se stabiliser dans l'un des nombreux états de faible énergie. Cela produit une gamme d’états observables qui ressemblent au continuum généralement associé aux liquides à spin quantique. Cependant, comme le matériau n’est pas réellement dans cette phase, il ne peut pas passer d’un état à l’autre une fois qu’il s’est installé dans un seul état.
Découverte d'un nouvel état magnétique de la matière
"La capacité unique du matériau à" choisir "entre différents états de basse énergie a produit des données d'observation très similaires à un état liquide à spin quantique", a déclaré Dai, auteur correspondant de cette étude. « Il s’agit d’un nouvel état de la matière que, à notre connaissance, nous sommes les premiers à décrire. »
Dai a noté que des découvertes comme celle-ci mettent en évidence combien les scientifiques doivent encore apprendre sur les matériaux quantiques. "Cela souligne l'importance d'une observation minutieuse et d'une enquête approfondie sur vos données."
Référence : « Continuum d'excitation de spin à partir d'états dégénérés dans le système d'échange mixte ferro-antiferromagnétique CeMgAl11O19 » par Bin Gao, Tong Chen, Chunxiao Liu, Mason L. Klemm, Shu Zhang, Zhen Ma, Xianghan Xu, Choongjae Won, Gregory T. McCandless, Karthik Rao, Naoki Murai, Seiko Ohira-Kawamura, Stephen J. Moxim, Jason T. Ryan, Xiaozhou Huang, Xiaoping Wang, Manh Duc Le, Emilia Morosan, Julia Y. Chan, Sang-Wook Cheong, Oleg Tchernyshyov, Leon Balents et Pengcheng Dai, 6 mars 2026,Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.aed7778
Cet article a été soutenu par les sciences énergétiques fondamentales du Département américain de l’énergie (DE-SC0012311, DE-SC0026179), la Fondation Robert A. Welch (C-1839) et le programme de visiteurs du Centre de synthèse des matériaux quantiques. Cet article a été financé par l’initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore (GBMF6402) et par Rutgers.
Les chercheurs ont reçu le soutien individuel de la Fondation Gordon et Betty Moore dans le cadre du programme Phénomènes émergents dans les systèmes quantiques ; la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (12204160) ; la Fondation nationale de recherche de Corée, ministère des Sciences et des TIC (2022M3H4A1A04074153) ; et la Fondation Welch (AA-2056-20240404). L'expérience de diffusion de neutrons au MLF du J-PARC a été réalisée dans le cadre de la proposition n° 2022B0242. Cette recherche a utilisé les ressources de la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE exploitée par le Laboratoire national d'Oak Ridge.
Ne manquez jamais une avancée :
Suivez-nous suretGoogle Actualités.
Un matériau considéré comme un liquide à spin quantique présente en réalité un état magnétique nouvellement identifié, provoqué par des interactions ferromagnétiques et antiferromagnétiques concurrentes.
Les matériaux qui entrent dans une phase liquide de spin quantique attirent une attention particulière en raison de leurs propriétés inhabituelles et de leurs applications potentielles.informatique quantique. Cependant, le monde quantique présente souvent des résultats surprenants. Une étude récente publiée dansAvancées scientifiqueset co-dirigé parLe physicien Pengcheng Dai a découvert que l'hexaluminate de cérium et de magnésium (CeMgAl11O19) ne forme pas réellement un liquide de spin quantique, même si des observations antérieures semblaient aller dans cette direction.
"Le matériau a été classé comme liquide à spin quantique en raison de deux propriétés : l'observation d'un continuum d'états et l'absence d'ordre magnétique", a déclaré Bin Gao, co-premier auteur et chercheur scientifique à Rice. "Mais une observation plus approfondie du matériau a montré que la cause sous-jacente de ces observations n'était pas une phase liquide de spin quantique."
Dans les matériaux isolants tels que CeMgAl11O19, les ions magnétiques comme le cérium peuvent adopter l'une des deux dispositions suivantes : ferromagnétique ou antiferromagnétique. Dans un état ferromagnétique, un ion a tendance à influencer les ions proches pour qu’ils s’alignent dans la même direction, conduisant à une structure dans laquelle les moments magnétiques pointent dans la même direction. Dans un état antiferromagnétique, les ions voisins s’orientent dans des directions opposées, créant un motif alterné. Les chercheurs peuvent observer comment ces arrangements magnétiques se forment en refroidissant le matériau à des températures proches dezéro absolu.
États ferromagnétiques et antiferromagnétiques dans les matériaux magnétiques
À des températures extrêmement basses, les matériaux non quantiques conventionnels se stabilisent dans une seule configuration à faible énergie une fois que leurs ions s'alignent dans l'un de ces états magnétiques. Étant donné que tous les ions adoptent un arrangement ferromagnétique ou antiferromagnétique, les chercheurs n’observent généralement qu’un seul état stable de faible énergie.
Les liquides de spin quantique se comportent différemment. Même à des températures proches du zéro absolu, ces matériaux ne se stabilisent pas dans une configuration unique. Au lieu de cela, les effets de la mécanique quantique leur permettent de passer continuellement d’un état à faible énergie à un autre. Ce comportement dynamique produit un continuum d’états plutôt qu’un seul. Cela empêche également le matériau de développer un motif magnétique fixe, ce qui signifie que des arrangements ferromagnétiques et antiferromagnétiques apparaissent au lieu d'une structure ordonnée unique.
CeMgAl11O19 présentait ces deux caractéristiques. Il ne montrait aucun ordre magnétique clair et produisait un continuum d’états. Cependant, une analyse détaillée a révélé que ce comportement ne provenait pas d’un véritable liquide à spin quantique. Au lieu de cela, cela résultait d’une dégénérescence des états provoquée par des interactions ferromagnétiques et antiferromagnétiques concurrentes au sein du matériau.
Enquête sur le comportement magnétique inhabituel de CeMgAl11O19
"Nous étions intéressés par ce matériau, qui présentait un ensemble de caractéristiques que nous n'avions jamais vues auparavant", a déclaré Tong Chen, co-premier auteur et chercheur scientifique à Rice. "Ce n'était pas un liquide à spin quantique, mais nous observions ce que nous pensions être des comportements associés aux liquides à spin quantique."
Pour comprendre la source de ces signaux inhabituels, l’équipe de recherche a utilisé des expériences de diffusion de neutrons ainsi que des mesures supplémentaires. Leurs résultats suggèrent fortement que la frontière séparant les états ferromagnétiques et antiferromagnétiques dans CeMgAl11O19 est plus faible que dans la plupart des matériaux magnétiques. En raison de cette frontière plus faible, les ions magnétiques peuvent basculer plus facilement entre les deux possibilités.
En conséquence, les ions ne se verrouillent pas dans une seule configuration ordonnée. Au lieu de cela, certains adoptent un alignement ferromagnétique tandis que d’autres restent antiferromagnétiques au sein de la même structure. Ce mélange empêche la formation d'un ordre magnétique à longue portée.
L'absence d'ordre augmente également le nombre de configurations possibles à faible consommation d'énergie disponibles pour le matériau. Lorsqu'il est refroidi à un niveau proche du zéro absolu, CeMgAl11O19 peut se stabiliser dans l'un des nombreux états de faible énergie. Cela produit une gamme d’états observables qui ressemblent au continuum généralement associé aux liquides à spin quantique. Cependant, comme le matériau n’est pas réellement dans cette phase, il ne peut pas passer d’un état à l’autre une fois qu’il s’est installé dans un seul état.
Découverte d'un nouvel état magnétique de la matière
"La capacité unique du matériau à" choisir "entre différents états de basse énergie a produit des données d'observation très similaires à un état liquide à spin quantique", a déclaré Dai, auteur correspondant de cette étude. « Il s’agit d’un nouvel état de la matière que, à notre connaissance, nous sommes les premiers à décrire. »
Dai a noté que des découvertes comme celle-ci mettent en évidence combien les scientifiques doivent encore apprendre sur les matériaux quantiques. "Cela souligne l'importance d'une observation minutieuse et d'une enquête approfondie sur vos données."
Référence : « Continuum d'excitation de spin à partir d'états dégénérés dans le système d'échange mixte ferro-antiferromagnétique CeMgAl11O19 » par Bin Gao, Tong Chen, Chunxiao Liu, Mason L. Klemm, Shu Zhang, Zhen Ma, Xianghan Xu, Choongjae Won, Gregory T. McCandless, Karthik Rao, Naoki Murai, Seiko Ohira-Kawamura, Stephen J. Moxim, Jason T. Ryan, Xiaozhou Huang, Xiaoping Wang, Manh Duc Le, Emilia Morosan, Julia Y. Chan, Sang-Wook Cheong, Oleg Tchernyshyov, Leon Balents et Pengcheng Dai, 6 mars 2026,Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.aed7778
Cet article a été soutenu par les sciences énergétiques fondamentales du Département américain de l’énergie (DE-SC0012311, DE-SC0026179), la Fondation Robert A. Welch (C-1839) et le programme de visiteurs du Centre de synthèse des matériaux quantiques. Cet article a été financé par l’initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore (GBMF6402) et par Rutgers.
Les chercheurs ont reçu le soutien individuel de la Fondation Gordon et Betty Moore dans le cadre du programme Phénomènes émergents dans les systèmes quantiques ; la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (12204160) ; la Fondation nationale de recherche de Corée, ministère des Sciences et des TIC (2022M3H4A1A04074153) ; et la Fondation Welch (AA-2056-20240404). L'expérience de diffusion de neutrons au MLF du J-PARC a été réalisée dans le cadre de la proposition n° 2022B0242. Cette recherche a utilisé les ressources de la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE exploitée par le Laboratoire national d'Oak Ridge.
Ne manquez jamais une avancée :
Suivez-nous suretGoogle Actualités.
