À première vue, l'eau liquide et les substances inorganiques solides n'ont pas grand-chose en commun. Cependant, un examen scientifique approfondi révèle que des composés inorganiques, tels que certains minéraux, peuvent adopter des états appelés "liquides de spin". Cela les rapproche plus des liquides que nous connaissons dans notre vie quotidienne que nous ne pouvons l'imaginer.
Nous connaissons tous le phénomène de la congélation : l'eau s'organise spontanément en structures de glace ordonnées lorsqu'elle est refroidie. De même, le degré d'ordre dans les liquides de spin dépend de la température. Dans certains liquides de spin, un désordre résiduel (mouvement moléculaire) persiste même à très basse température. Cela donne lieu à un signal magnétique diffus caractéristique, difficile à détecter avec les méthodes expérimentales standard. Cependant, les neutrons - que l'on peut imaginer comme de minuscules aimants - peuvent facilement interagir avec les matériaux magnétiques et constituent la sonde idéale pour détecter ce signal.
Cet avantage crucial des neutrons a été exploité dans des études antérieures sur le minéral Tb2Ti2O7., un analogue quantique des glaces de spin classiques. Les résultats ont non seulement révélé la diffusion magnétique diffuse mentionnée ci-dessus, mais également un signal exotique supplémentaire suggérant la présence d'interactions moléculaires nouvelles.
Ces résultats intéressants ont inspiré une équipe de scientifiques interdisciplinaire d'institutions de recherche françaises, du PSI (Suisse) et de l'ILL à aller plus loin. "Nous avons synthétisé la molécule Tb2(Ti,Zr,Hf,Sn,Ge)2O7, un composé homologue à haute entropie (haut désordre) de Tb2Ti2O7. Cela nous a permis d'étudier la robustesse de ces nouvelles interactions vis-à-vis du désordre", explique Florianne Vayer (ICCMO, Université Paris-Saclay), première autrice de l'étude. "En particulier, nous avons utilisé la diffraction neutronique et la diffusion neutronique inélastique à la fois à l'ILL et à PSI pour révéler la réponse magnétique de Tb2(Ti,Zr,Hf,Sn,Ge)2O7", ajoute Claudia Decorse, membre de l'équipe de recherche de la même institution.
À l'ILL, des mesures de diffraction neutronique ont été réalisées sur le diffractomètre à neutrons D1B, tandis que des expériences de diffusion neutronique inélastique ont été menées sur l'instrument à temps de vol thermique Panther. Stéphane Rolls, chercheur à l'ILL et contact local pour cette étude, souligne que "les développements apportés au spectromètre Panther dans le cadre du programme d'amélioration Endurance ont permis de voir clairement les signatures spectroscopiques spécifiques à ces systèmes."
De manière inattendue, le signal exotique initialement découvert dans Tb2Ti2O7 s'est avéré encore plus fort dans le composé à haute entropie. Une analyse détaillée de ces données, combinée à d'autres expériences et à des modélisations éveloppés par Sylvain Petit, a permis à l'équipe de montrer que les mouvements aléatoires des atomes d'oxygène (O) entourant les atomes de terbium (Tb) centraux altèrent profondément les interactions entre les ions Tb. Cela déstabilise l'état liquide de spin, ce qui implique que le désordre est un facteur important pour l'émergence de propriétés particulières de ces composés. De plus, des considérations théoriques ont révélé que la modification du degré de désordre peut permettre au matériau de revenir à son état liquide.
Bien que cette étude soit principalement ancrée dans la recherche fondamentale, ses implications vont bien au-delà de la physique exotique. "Notamment, l'état de spin liquide quantique est caractérisé par un phénomène connu sous le nom d'"intrication à grande échelle", la même propriété mécanique quantique que la communauté scientifique souhaite utiliser pour le calcul quantique", explique Florianne Vayer. Cette technologie de nouvelle génération devrait permettre de résoudre des défis informatiques trop complexes pour nos ordinateurs actuels.
Texte (en anglais): Olga Matsarskaia
Reference: Vayer F, Petit S, Damay F, Embs J, Rols S, Colin C, Lhotel E, Bounoua D, Dragoe N, Bérardan D, Decorse C. Entropy-stabilized materials as a platform to explore terbium-based pyrochlore frustrated magnets. Communications Materials. 2024 Aug 21;5(1):162.
https://doi.org/10.1038/s43246-024-00589-y
Contact ILL:Stéphane Rols