Première observation directe des moments quadripolaires de spin dans une phase nématique de spin

Les cristaux liquides sont un état de la matière qui présente des propriétés à la fois liquides et solides. Il peut s'écouler comme un liquide, tandis que ses molécules constitutives sont alignées comme dans un solide. Les cristaux liquides sont aujourd’hui largement utilisés, par exemple comme élément central des appareils LCD.

L'analogue magnétique de ce type de matériau est appelé « phase nématique de spin », où les moments de spin jouent le rôle des molécules. Cependant, malgré sa prédiction il y a un demi-siècle, elle n’a pas encore été observée directement. Le principal défi vient du fait que la plupart des techniques expérimentales conventionnelles sont insensibles aux quadripôles de spin, caractéristiques déterminantes de cette phase nématique de spin.

Mais maintenant, pour la première fois au monde, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Kim Bumjoon du Centre IBS pour les systèmes électroniques artificiels de basse dimension en Corée du Sud a réussi à observer directement les quadripôles de spin. Ce travail a été rendu possible grâce aux réalisations remarquables réalisées au cours des dernières décennies dans le développement des installations synchrotron.

Les chercheurs de l'IBS ont concentré leur étude sur l'oxyde d'iridium Sr à réseau carré₂IrO₄, un matériau précédemment reconnu pour son ordre dipolaire antiferromagnétique à basse température. Cette étude vient de découvrir la coexistence d'un ordre quadripolaire de spin, qui devient observable grâce à son interférence avec l'ordre magnétique. Ce signal d'interférence a été détecté par « diffraction des rayons X à résonance circulaire-dichroïque », une technique de rayons X avancée utilisant un faisceau de rayons X à polarisation circulaire.

Une vérification plus approfondie de cette découverte a été réalisée grâce à la «diffusion inélastique résonante des rayons X résolue en polarisation», où les excitations magnétiques se sont révélées s'écarter considérablement des comportements attendus pour celles des aimants conventionnels.

Pour compléter ces expériences, les chercheurs sud-coréens ont collaboré avec le laboratoire national d'Argonne aux États-Unis pour construire une ligne de lumière à diffusion inélastique résonante de rayons X au laboratoire de l'accélérateur de Pohang au cours des quatre dernières années.

Enfin, les chercheurs ont utilisé une série de techniques optiques, notamment la spectroscopie Raman et la mesure magnéto-optique de l'effet Kerr, pour montrer que la formation des moments quadripolaires de spin se produit à des températures plus élevées que l'ordre magnétique. Dans cette plage de température, l'oxyde d'iridium n'a que des moments quadripolaires de spin mais aucun ordre magnétique, réalisant une phase nématique de spin.

Dans l’ensemble, il s’agit de la première observation directe des moments quadripolaires de spin dans une phase nématique de spin.

“Cette recherche était réalisable parce que l'infrastructure et les capacités des expériences aux rayons X en Corée du Sud avaient atteint un niveau compétitif à l'échelle mondiale”, explique le professeur Kim Bumjoon, auteur correspondant de cette étude.

“La découverte de la phase nématique de spin a également des implications significatives pour l'informatique quantique et les technologies de l'information”, ajoute le professeur Cho Gil Young, co-auteur de cette étude et professeur à l'Université des sciences et technologies de Pohang.

Un autre aspect intéressant de la phase nématique de spin est son potentiel de supraconductivité à haute température. Dans la phase nématique de spin, les spins sont fortement intriqués, ce qui a été suggéré par le physicien PW Anderson comme étant un ingrédient essentiel de la supraconductivité à haute température.

De plus, étant donné que l'oxyde d'iridium Sr₂IrO₄ a été largement étudié en raison de ses similitudes frappantes avec le système supraconducteur à haute température à l'oxyde de cuivre, ce qui alimente un intérêt croissant pour ce matériau en tant que nouveau système supraconducteur à haute température potentiellement, ainsi que sa relation avec la phase nématique de spin.

Les résultats sont publiés dans la revue Nature.