lundi 4 avril 2016

Nouvel état de la matière détectée dans un matériau à deux dimensions

Une équipe internationale de chercheurs ont trouvé des preuves d'un nouvel état mystérieux de la matière, d'abord prédit il y a 40 ans, dans un matériau réel. Cet état, connu sous le nom d'un liquide de spin quantique, provoque des électrons - considéré comme blocs de construction indivisibles de la nature - à briser en morceaux.
Les chercheurs, y compris des physiciens de l'Université de Cambridge, ont mesuré les premières signatures de ces particules fractionnaires, connues sous le nom fermions de Majorana, dans un matériau à deux dimensions avec une structure similaire à graphène. Leurs résultats expérimentaux correspondants avec succès avec l'un des principaux modèles théoriques pour un liquide quantique de spin connu sous le nom d'un modèle Kitaev. Les résultats sont présentés dans la revue Nature Materials.
Les liquides de spin quantique sont des états mystérieux de la matière qui sont censés se cacher dans certains matériaux magnétiques, mais n'a pas été concluante observés dans la nature.
L'observation d'un de leurs propriétés les plus intrigantes - fractionnement d'électrons, ou fractionnalisation - dans les matériaux réels est une percée. Les fermions de Majorana résultants peuvent être utilisés comme blocs de construction d'ordinateurs quantiques, ce qui serait beaucoup plus rapide que les ordinateurs classiques et seraient en mesure d'effectuer des calculs qui ne pouvaient pas être fait autrement.
"Ceci est un nouvel état quantique de la matière, qui a été prédit, mais n'a pas été vu auparavant», a déclaré le Dr Johannes Knolle du laboratoire Cavendish de Cambridge, un des co-auteurs de l'article.
Dans un matériau magnétique typique, les électrons se comportent comme chaque barre de minuscules aimants. Et lorsqu'un matériau est refroidi à une température suffisamment basse, les "aimants" vont se commander sur de longues distances, de sorte que tous les pôles magnétiques nord pointent dans la même direction, par exemple.
Mais dans un matériau contenant un état liquide de spin, même si ce matériau est refroidi à zéro absolu, les barreaux magnétiques seraient pas alignés mais forment une soupe à emmêler causée par les fluctuations quantiques.
«Jusqu'à récemment, on ne savait même pas ce que les empreintes digitales expérimentales d'un liquide de spin quantique pourrait ressembler», a déclaré le papier co-auteur Dr Dmitry Kovrizhin, également de la théorie de la matière condensée groupe du Laboratoire Cavendish. "Une chose que nous avons fait dans les travaux antérieurs est de demander, si je devais réaliser des expériences sur un éventuel liquide de spin quantique, que ferais-je observer?"
Knolle et Kovrizhin de co-auteurs, dirigés par le Dr Arnab Banerjee et le Dr Stephen Nagler de Oak Ridge National Laboratory aux États-Unis, ont utilisé des techniques de diffusion des neutrons pour trouver des preuves expérimentales de fractionnalisation dans le chlorure d'alpha-ruthénium (a-RuCl3). Les chercheurs ont testé les propriétés magnétiques d'une poudre RuCl3 en l'éclairant avec des neutrons, et en observant le motif d'ondulations que les neutrons produits sur un écran quand ils se sont dispersés dans l'échantillon.
Un aimant régulière serait de créer des lignes nettes distinctes, mais il était un mystère quel genre de modèle les fermions de Majorana dans un liquide de spin quantique ferait. La prédiction théorique de signatures distinctes par Knolle et ses collaborateurs en 2014 correspondent bien avec les grandes bosses au lieu de lignes nettes qui expérimentateurs observées sur l'écran, fournissant pour la première fois une preuve directe d'un liquide de spin quantique et fractionnalisation des électrons dans deux matériau dimensionnelle.
"Ceci est une nouvelle addition à une courte liste d'états quantiques connus de la matière», a déclaré Knolle.
«Il est une étape importante pour notre compréhension de la matière quantique", a déclaré Kovrizhin. "Il est amusant d'avoir un autre nouvel état quantique que nous n’avons jamais vu auparavant -. Il nous présente de nouvelles possibilités pour essayer de nouvelles choses"