Ce matériau a trompé les physiciens : une nouvelle forme de matière se cachait sous leurs yeux

Une découverte qui bouscule les certitudes

Dans le monde fascinant de la physique quantique, les apparences sont souvent trompeuses. Une étude récente, publiée dans la revue Science Advances, vient de le prouver de manière éclatante. Des chercheurs ont découvert qu’un matériau, jusqu’alors classé dans une catégorie quantique exotique, représentait en réalité un état de la matière entièrement nouveau et non quantique.

Le composé en question est l’hexalluminate de cérium et de magnésium, ou CeMgAl11O19. L’équipe internationale, co-dirigée par Pengcheng Dai de l’Université Rice, a démontré que malgré des indices convaincants, ce matériau n’était pas dans une phase de liquide de spin quantique. Cette phase est pourtant très recherchée pour son potentiel dans le domaine de l’informatique quantique et l’étude d’états de la matière inédits.

Le mirage du liquide de spin quantique

Pourquoi les scientifiques pensaient-ils avoir affaire à un liquide de spin quantique ? Deux observations clés les ont mis sur cette piste. Bin Gao, co-premier auteur de l’étude et chercheur à l’Université Rice, l’explique : « Le matériau avait été classé comme un liquide de spin quantique en raison de deux propriétés : l’observation d’un continuum d’états et l’absence d’ordre magnétique. »

Dans un matériau magnétique classique, les ions s’alignent tous de la même manière à très basse température. On observe alors un état unique et ordonné. Un liquide de spin quantique, lui, se comporte différemment. Grâce à la mécanique quantique, ses ions fluctuent constamment entre différents états de basse énergie, créant un « continuum » observable pour les physiciens. Cette agitation empêche également l’établissement d’un ordre magnétique fixe. Le CeMgAl11O19 présentait exactement ces deux signatures.

Pourtant, comme le souligne Bin Gao, la réalité était plus complexe. « Mais une observation plus attentive du matériau a montré que la cause sous-jacente de ces observations n’était pas une phase de liquide de spin quantique. » Le mystère restait entier.

Comprendre le magnétisme classique

Pour saisir la nature de cette découverte, un bref retour aux bases du magnétisme s’impose. Dans les matériaux isolants comme le CeMgAl11O19, les ions magnétiques, ici le cérium, peuvent adopter deux configurations principales. La première est l’état ferromagnétique, où les « aimants » atomiques des ions s’orientent tous dans la même direction. La seconde est l’état antiferromagnétique, où ils s’alignent dans des directions opposées, s’annulant les uns les autres.

Normalement, le choix d’un état par un ion influence ses voisins, créant une vague d’alignement uniforme dans tout le matériau. Ce phénomène, appelé ordre magnétique, devient particulièrement visible lorsque les chercheurs refroidissent l’échantillon à des températures proches du zéro absolu. À ce point, les matériaux non quantiques se « figent » dans une configuration unique de basse énergie, soit entièrement ferromagnétique, soit entièrement antiferromagnétique.

L’enquête qui a révélé la vérité

L’équipe de recherche sentait que ce matériau était spécial. « Nous étions intéressés par ce matériau, qui présentait un ensemble de caractéristiques que nous n’avions jamais vues auparavant », confie Tong Chen, également co-premier auteur et chercheur à Rice. « Ce n’était pas un liquide de spin quantique, et pourtant nous observions ce que nous pensions être des comportements associés aux liquides de spin quantiques. »

Pour en avoir le cœur net, les scientifiques ont utilisé une technique puissante : ils ont bombardé le CeMgAl11O19 avec des neutrons et ont procédé à d’autres mesures de haute précision. L’analyse des résultats a livré la clé de l’énigme. Il s’est avéré que dans ce matériau, la frontière énergétique entre l’état ferromagnétique et l’état antiferromagnétique était exceptionnellement faible, bien plus que dans la plupart des autres composés.

Cette faible barrière donnait aux ions magnétiques une flexibilité inattendue pour basculer entre les deux états. Résultat : au lieu de s’aligner dans un ordre unique, certains ions restaient ferromagnétiques tandis que d’autres devenaient antiferromagnétiques au sein de la même structure. C’est cette coexistence qui expliquait l’absence d’ordre magnétique global.

Une nouvelle forme de matière et une leçon d’humilité

Ce désordre apparent a une conséquence majeure. Il ouvre un éventail beaucoup plus large d’états de basse énergie possibles. Ainsi, en approchant du zéro absolu, le matériau ne se fige pas dans un état unique mais peut « choisir » parmi plusieurs configurations stables. C’est cette multitude de choix qui a produit un spectre d’états observables ressemblant au continuum d’un liquide de spin quantique.

La différence cruciale, cependant, est qu’une fois que le matériau a choisi un état de basse énergie, il y reste bloqué. Il ne peut pas passer d’un état à un autre par effet tunnel, contrairement à un véritable système quantique. Pour Pengcheng Dai, l’auteur correspondant de l’étude, il s’agit bien d’une première. « 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 », résume-t-il. « C’est un nouvel état de la matière que, à notre connaissance, nous sommes les premiers à décrire. »

Cette découverte, ajoute Pengcheng Dai, est un rappel de notre méconnaissance du monde quantique. « Elle souligne l’importance d’une observation attentive et d’une investigation approfondie de vos données. » Un appel à la prudence et à la rigueur scientifique face aux mystères de la matière.

Selon la source : phys.org