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Jun 13, 2023

L'observation d'un état fondamental désordonné quantique dans un aimant à réseau triangulaire

Article du 25 mai 2023

Reportage du 25 mai 2023

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les matériaux magnétiques à réseau triangulaire ont fait l'objet de nombreuses études de recherche, car les prédictions théoriques suggèrent qu'ils pourraient présenter des états liquides de spin. Ce sont des phases quantiques de la matière qui présentent des caractéristiques intéressantes, telles que l'intrication quantique et les excitations fractionnées.

Bien qu'il y ait eu de nombreux efforts expérimentaux visant à observer ces phases fascinantes dans des matériaux à réseau triangulaire, cela s'est jusqu'à présent révélé très difficile. L'une des principales raisons à cela est que le faible couplage spin-orbite et d'autres perturbations dans ces matériaux entraînent généralement un gel de spin ou des états magnétiques conventionnels.

Des chercheurs de l'Université de Californie, du Boston College, du Laboratoire national d'Oak Ridge et du National Institute of Standards and Technology ont récemment pu produire un état fondamental désordonné quantique dans l'aimant à réseau triangulaire NaRuO2. Leurs découvertes, publiées dans Nature Physics, suggèrent que cet état a été rendu possible par l'interaction coopérative entre le couplage spin-orbite et les effets de corrélation dans le matériau magnétique.

"Nous étudions depuis longtemps les réseaux triangulaires, à la recherche de matériaux qui hébergent ce que nous appelons des états fondamentaux désordonnés quantiques", a déclaré Stephen D. Wilson, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Ce sont des états où les moments magnétiques de chaque atome, chacun assis dans un réseau de triangles partageant des bords, ne parviennent pas à s'ordonner ou se figent même au zéro absolu. Ce défaut d'ordre est nominalement dû à des fluctuations quantiques qui brouillent continuellement les moments. et servent à définir un nouvel état fondamental magnétique intrinsèquement désordonné et dynamique."

Une approche pour réaliser des états fondamentaux quantiques dans les matériaux consiste à identifier des stratégies efficaces pour enchevêtrer le degré de liberté orbital des électrons individuels avec leur degré de liberté de spin. Cela peut finalement être réalisé en combinant soigneusement différents éléments ensemble, par exemple en incluant du ruthénium (Ru) dans des composés, qui a également été inclus dans l'échantillon de NaRuO2 de l'équipe.

"Un défi majeur était de fabriquer proprement le matériau qui nous intéressait, NaRuO2", a expliqué Wilson. "Pour vraiment tester ce qui se passe dans le domaine du magnétisme quantique, vous devez vraiment éliminer autant que possible les facteurs extrinsèques comme les impuretés chimiques. Une fois que nous avons fabriqué NaruO2 avec une qualité suffisante, nous avons pu réaliser plusieurs expériences, toutes en découvrir un peu plus sur la physique de ce qui se passe. En d'autres termes, vous avez besoin de plusieurs fenêtres différentes pour former l'image complète d'un matériau compliqué.

Après avoir réalisé leur propre échantillon de NaRuO2, Wilson et ses collègues ont donc procédé à une série de tests et d'expériences pour mieux comprendre sa physique sous-jacente. Ils l'ont d'abord examiné à l'aide de méthodes de caractérisation en vrac de base, par exemple en mesurant sa susceptibilité magnétique et sa capacité calorifique jusqu'à de très basses températures.

"Nous avons également mené des expériences plus avancées telles que la diffusion inélastique des neutrons et les mesures de relaxation du spin des muons", a déclaré Wilson. "Toutes ces sondes nous en disent un peu plus sur ce que font les moments magnétiques dans NaRuO2 lorsque vous vous refroidissez vers son état fondamental, chacune à des échelles de longueur et de temps différentes. Lorsque l'image globale vous montre que les moments magnétiques ne parviennent pas à s'ordonner et fluctuent à la place comme vous refroidissez à des températures bien inférieures à celles où il devrait, alors vous pouvez commencer à brosser un tableau d'un état fondamental désordonné quantique."

Les expériences menées par Wilson et ses collègues ont montré que leur échantillon de NaRuO2 soigneusement conçu présentait un état fondamental magnétique fluctuant de manière inhérente. À basse température, les excitations de spin dans le matériau produisaient un terme de type métal dans sa capacité calorifique et une série d'excitations continues dans sa diffusion neutronique, qui ressemblaient à celles associées aux états liquides de spin précédemment observés dans les aimants à réseau triangulaire.

"Notre travail démontre que les réseaux triangulaires construits à partir d'ions de métaux de transition enchevêtrés spin-orbite (par exemple, Ru) peuvent être très intéressants, et surtout, les interactions anisotropes nécessaires pour déstabiliser l'ordre magnétique conventionnel peuvent être réalisées dans des matériaux réels", a déclaré Wilson. "Nous montrons que cela peut se produire même dans des matériaux où la force du couplage d'échange magnétique est nominalement assez forte, ce qui est le cas dans NaRuO2."

Des études théoriques récentes ont placé NaRuO2 dans un régime ferromagnétique strict, ce qui signifie que les interactions dominantes dans le matériau doivent conduire tous les moments à pointer parallèlement les uns aux autres. Alors que le ferromagnétisme serait assez facile à détecter, les découvertes recueillies par Wilson et ses collègues suggèrent qu'il n'est pas là, mais plutôt que quelque chose d'autre se passe à l'intérieur de ce composé.

À l'avenir, de nouvelles études pourraient aider à mieux comprendre la physique de ce fascinant aimant à réseau triangulaire, aidant potentiellement à résoudre ce mystère. De plus, les travaux récents de cette équipe de chercheurs pourraient inspirer de nouvelles études visant à observer des états liquides de spin quantique dans d'autres aimants à réseau triangulaire.

"Notre prochaine étape sera d'essayer de fabriquer des monocristaux de ce matériau", a ajouté Wilson. "Nous pouvons obtenir beaucoup plus d'informations sur la physique à l'origine de ce matériau inhabituel une fois que nous pouvons explorer ses anisotropies inhérentes et d'autres expériences deviennent possibles une fois que les monocristaux sont réalisables. La prochaine grande question est de savoir quel type d'état magnétique désordonné quantique forme NaRuO2 - on veut Idéalement, aller au-delà de la simple définition de ce que l'état n'est pas et plutôt commencer à peindre une image expérimentale plus précise de ce qu'est l'état magnétique fondamental."

Plus d'information: Brenden R. Ortiz et al, État fondamental désordonné quantique dans l'aimant à réseau triangulaire NaRuO2, Nature Physics (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02039-x

Informations sur la revue :Physique naturelle

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