Romain Sibille, Nicolas Gauthier, Elsa Lhotel, Victor Porée, Vladimir Pomjakushin, Russell A. Ewings, Toby G. Perring, Jacques Ollivier, Andrew Wildes, Clemens Ritter, Thomas C. Hansen, David A. Keen, Gøran J. Nilsen, Lukas Keller, Sylvain Petit & Tom Fennell
La recherche de nouveaux états de la matière, allant au-delà des descriptions classiques, suscite un très fort engouement en physique. Dans cette perspective, les travaux théoriques orientent ces recherches vers des systèmes tels que certains « liquides de spins quantiques » et autres états fortement corrélés, caractérisés en particulier par l’absence de symétrie brisée. Sur le plan expérimental, c’est la recherche d’une contrepartie quantique des « glaces de spins » qui retient l’attention. Ces composés forment un analogue magnétique de la glace d’eau, où le comportement des spins reflète celui du désordre des protons dans H2O. Une équipe internationale formée de chercheurs du PSI (Suisse), du Stanford Institute for Materials and Energy Science (USA), de l’Institut Néel à Grenoble et du LLB à Saclay a mis en évidence par diverses techniques, dont la diffusion des neutrons, un exemple de cette contrepartie quantique des glaces de spin dans le composé Ce2Sn2O7. Plus précisément, il s’agit d’un état « glacé » particulier où la distribution octupolaire de la densité électronique joue le rôle des moments magnétiques dans les glaces de spins classiques. L’étude des interactions montre que l’état fondamental est constitué d’une superposition quantique d’états intriqués, confirmant ainsi les prédictions théoriques sur les liquides de spins quantiques. Les expériences de diffraction ont été réalisées sur poudre à très basse température à l’aide de neutrons thermiques, révélant une diffusion diffuse dont le maximum se situe aux grands vecteurs de diffusion, comme on l’attend dans le cas d’une contribution orbitale (ici octupolaire, voir figure ci-dessous). Un autre aspect important du travail a été la possibilité de comparer ce résultat expérimental à des simulations capables de prédire la forme de cette diffusion diffuse. En outre, les mesures de diffusion inélastique des neutrons à basse énergie ont montré un continuum d’excitations (connues sous le nom de « spinons »), une caractéristique des liquides de spins quantiques.
États « glacés » de la matière. Dans la glace d’eau (à gauche), les quatre atomes d’hydrogène autour de chaque atome d’oxygène sont disposés de manière aléatoire, mais toujours tels que deux d’entre eux soient proches et deux soient éloignés. Dans la glace de spins (au centre), les moments magnétiques dipolaires de matériaux choisis de manière appropriée obéissent à la même règle « 2-in-2-out ». Dans la glace octupolaire découverte par Sibille et al., les sommets du tétraèdre sont occupés par des octupoles magnétiques (à droite). Leurs degrés de liberté magnétiques, représentés ici par la distribution de charge magnétique correspondante, sont contraints par une règle de glace analogue (les deux directions d’aimantation différentes sont mises en évidence par les flèches de couleur rouge et bleue le long des bords).
