Material previously thought to be quantum is actually a new, non-quantum state of matter
Un matériau que l'on croyait quantique se révèle être un nouvel état de la matière non quantique.
Par l'Université Rice
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
The GIST
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Professeur Pengcheng Dai, Université Rice. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Les matériaux magnétiques en phase de liquide de spin quantique suscitent un vif intérêt dans la recherche d'états de la matière exotiques et l'informatique quantique. Cependant, dans le monde quantique, les apparences sont parfois trompeuses. Une étude, publiée dans Science Advances et codirigée par Pengcheng Dai de l'Université Rice, a révélé que l'hexaluminate de cérium et de magnésium (CeMgAl11O19) n'était en réalité pas en phase de liquide de spin quantique, malgré des indices qui le laissaient penser.
« Ce matériau avait été classé comme liquide de spin quantique en raison de deux propriétés : l'observation d'un continuum d'états et l'absence d'ordre magnétique », explique Bin Gao, co-premier auteur et chercheur à l'Université Rice. « Mais une observation plus approfondie du matériau a révélé que la cause sous-jacente de ces observations n'était pas une phase de liquide de spin quantique. »
Comportement typique des états magnétiques
Dans les matériaux isolants comme le CeMgAl11O19, les ions magnétiques, tels que le cérium, peuvent adopter l'un des deux états magnétiques suivants : ferromagnétique ou antiferromagnétique. Typiquement, lorsqu'un ion est dans un état ferromagnétique, il influence les ions voisins, les incitant à adopter également cet état. Il en résulte un alignement de tous les ions d'une structure dans un état ferromagnétique.
De même, s'il est dans un état antiferromagnétique, il induit un alignement des ions dans des états antiferromagnétiques. Cet alignement magnétique est observable lorsque les chercheurs abaissent la température du matériau à des valeurs proches du zéro absolu.
Tong Chen, chercheur à l'Université Rice. Crédit : Tong Chen
À ces très basses températures, les matériaux non quantiques dont les ions sont alignés dans un même état se stabilisent dans une configuration de basse énergie. Comme les ions de ces matériaux se trouvent soit dans un état ferromagnétique, soit dans un état antiferromagnétique, les chercheurs n'observeront qu'une seule configuration de basse énergie.
Pour un matériau à état liquide de spin quantique, le comportement au voisinage du zéro absolu est différent. Ces matériaux quantiques transitent entre différents états de basse énergie via la mécanique quantique. Il en résulte que les chercheurs observent un continuum d'états différents au lieu d'un seul.
Ces transitions entraînent également une absence d'ordre magnétique, ce qui signifie que des états ferromagnétiques et antiferromagnétiques seront observés, contrairement aux matériaux magnétiquement ordonnés conventionnels où l'on n'observe que l'un ou l'autre.
Pourquoi ce matériau a-t-il trompé les chercheurs ?
Le CeMgAl11O19 présentait à la fois une absence d'ordre magnétique et un continuum d'états différents. Cependant, une analyse approfondie de ce continuum d'états indique qu'il ne provient pas d'un état liquide de spin quantique, mais plutôt de la dégénérescence d'états due à la compétition entre les interactions ferromagnétiques et antiferromagnétiques.
Bin Gao, chercheur à l'Université Rice. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
« Ce matériau nous intéressait car il présentait un ensemble de caractéristiques inédites », explique Tong Chen, co-premier auteur et chercheur à l'Université Rice. « Il ne s'agissait pas d'un liquide de spin quantique, et pourtant nous observions des comportements que nous pensions associés à ce type de matériau. »
En bombardant le matériau de neutrons et en effectuant d'autres mesures précises, les chercheurs ont trouvé la réponse. Dans CeMgAl11O19, la frontière entre l'état ferromagnétique et l'état antiferromagnétique était plus faible que dans la plupart des matériaux.
Les ions magnétiques, plus flexibles et capables de passer d'un état à l'autre, ne s'alignaient pas en un seul état ordonné. Au sein d'une même structure, certains étaient ferromagnétiques et d'autres antiferromagnétiques, ce qui engendrait un manque d'ordre magnétique. Ce manque d'ordre ouvrait la voie à un plus large éventail d'états de basse énergie possibles.
Lorsque le matériau a été porté à une température proche du zéro absolu, il a pu choisir parmi plusieurs états de basse énergie, ce qui a donné lieu à un mélange d'états observables semblables au continuum d'états présents dans les liquides de spin quantiques. Cependant, comme le matériau n'était pas dans un état de liquide de spin quantique, une fois entré dans un état de basse énergie, il ne pouvait plus passer à un autre état.
« La capacité unique du matériau à "choisir" entre différents états de basse énergie a produit des données d'observation très similaires à celles d'un état de liquide de spin quantique », a déclaré Dai, auteur principal de cette étude. « Il s'agit d'un nouvel état de la matière que, à notre connaissance, nous sommes les premiers à décrire. »
Ce matériau unique, a ajouté Dai, nous rappelle combien il nous reste à découvrir du monde quantique. « Il souligne l'importance d'une observation rigoureuse et d'une analyse approfondie des données. »
Détails de la publication
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RESUME
Un matériau que l'on pensait auparavant quantique présente en réalité un nouvel état de la matière non quantique.
CeMgAl11O19, classé auparavant comme liquide de spin quantique, révèle en fait un nouvel état de la matière non quantique. Son absence d'ordre magnétique et la continuité de ses états de basse énergie résultent d'interactions ferromagnétiques et antiferromagnétiques compétitives, et non d'effets quantiques. Cet état permet l'existence de multiples configurations de basse énergie sans transitions quantiques entre elles.
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COMMENTAIRES
Manip magnifique ! Voila un materil qui sous certaines conditions se déguise sans douleur en n 'importe quioi ! Un vrai Fregoli !!!!
NB/ Sur FREGOLI
Comédien, artiste transformiste, pionnier du cinéma en Italie, Leopoldo Fregoli a tourné une trentaine de films entre 1897 et 1899, conservés à la Cineteca Nazionale à Rome et restaurés en 1995, par le CNC.
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Publication details
Bin Gao et al, Spin Excitation Continuum from Degenerate States in the Mixed Ferro-Antiferromagnetic Exchange System CeMgAl11O19, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aed7778. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed7778
Journal information: Science Advances
Key concepts
MagnetismMagnetic systems
Provided by Rice University
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