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Ordonner par le désordre des échelles de spin


Ordonner par le désordre des échelles de spin

Le magnétisme que l’on observe dans les aimants vient de la façon dont les spins, ces petits aimants portés par les électrons, s’organisent entre eux. Souvent ils s’alignent les uns les autres quand on refroidit le matériau. Mais parfois, ils adoptent des comportements singuliers, et refusent de s’ordonner. On parle alors de "liquides de spin", un peu comme si l’eau refusait de devenir de la glace quand on la refroidit. Les physiciens s’intéressent particulièrement à ces liquides de spin car ils constituent un exemple remarquable de comportements quantiques collectifs, qui peuvent constituer des cas modèles d’ordinateurs quantiques, ou des équivalents aux condensats de Bose-Einstein dans les gaz froids. Ces comportements pourraient aussi être à l’origine de la supraconductivité à haute température critique, observée les cuprates.

 

Une façon d’obtenir ces "liquides" consiste à placer les spins des électrons sur des échelles disposées les unes à côté des autres. C’est l’une de ces échelles de spin, ici à base de Cuivre, d’oxygène, de bismuth et de phosphore, qu’une équipe du LPS vient d’étudier à la fois expérimentalement et théoriquement. Elle est bien non magnétique à très basse température, comme on l’attend d’un liquide de spin. Mais de façon surprenante, des mesures par RMN et par muSR, des techniques cousines de l’IRM des hôpitaux, ont permis de montrer que lorsqu’on enlève quelques uns de ces spins de l’échelle de façon aléatoire, les spins restants se gèlent alors à basse température et s’ordonnent presque. Et lorsqu’on réchauffe ce matériau, il subsiste comme des vagues magnétiques au voisinage de l’endroit d’où le spin a été enlevé. Un modèle a été proposé à partir de ces mesures et de calculs Monte Carlo Quantique qui montre que cet ordre par le désordre ne se limite pas aux échelles : il est universel et typique de bien des structures de basse dimension, comme par exemple des chaînes de spin.

 

Voilà donc une recette de glace magnétique pour gastronomes quantiques :

 

  • prenez un liquide de spin quantique
  • ôtez un spin sur cent, pris au hasard
  • refroidissez à quelques degrés du zéro absolu   et vous obtiendrez une glace de spin. Les expériences ne disent pas quel en est le parfum.

 

L’échelle de spin dans le matériau étudié, de formule BiCu2PO6
(les spins sont sur les atomes de cuivre, représentés en mauve

 

Référence :

 

Impurity-induced magnetic order in low dimensional spin gapped materials, J. Bobroff, N.Laflorencie, L.K.Alexander, A.V. Mahajan, B. Koteswararao and P.Mendels, Phys Rev Lett 103, 047201 (2009)