Depuis le développement de la théorie générale des transitions de phase par Lev Landau dans les années 1930, la matière est classée en fonction de ses différentes symétries.  Un changement de phase, du liquide au solide, par exemple, peut donc être compris comme un changement de symétrie qui est caractérisé par un « paramètre d’ordre ».  Ainsi, dans l’eau liquide, toutes les symétries de rotation et translation sont préservée. Le passage à la glace (eau solide) implique une perte de symétrie alors que les molécules d’H₂0 se disposent sur un réseau hexagonal et périodique, introduisant des directions et des axes privilégiés.

L’ordre atomique à longue portée dans la matière peut être détecté en utilisant la diffraction d’ondes électromagnétiques ou de neutrons : alors que les neutrons sont diffusés dans l’espace de façon isotrope, les neutrons diffractés par un solide ne peuvent traverser la matière que dans certaines directions précises, créant ce qu’on appelle des réflexions de Bragg.

Puisque le neutron a un moment magnétique intrinsèque, il est aussi possible de détecter les réflexions de Bragg magnétiques d’un cristal. Dans un aimant typique à basse température, les moments magnétiques s’alignent et créent un ordre mesurable par neutrons. Alors que la température augmentent, une transition se produit, qui détruit cet ordre : les moments magnétiques s’orientent dans tous les sens et l’aimant est démagnétisé.

Les choses se corsent dans les matériaux exotiques appelés liquides de spin quantique où aucune réflexion de Bragg magnétique ne peut être détectée même à très basse température. Ce phénomène est dû à la frustration magnétique. On peut mieux comprendre la frustration si l’on visualise trois spins que l’on positionne sur les arrêts d’un triangle équilatéral et qui interagissent via un échange antiferromagnétique. L’interaction antiferromagnétique entre les spins est complètement satisfaite lorsque tous les spins s’ordonnent de façon anti-parallèle et cela est impossible à satisfaire simultanément pour les trois spins qui forme le triangle. Dans ce cas, il est possible que les fonctions d’ondes des spins deviennent intriquées sur de longues distances et acquièrent des excitations fractionnaires. Ceci veut dire que l’on peut observer des unités d’aimantations qui sont plus petites que l’unité de spin original, ce qui est impossible dans un aimant conventionnel, mais est possible dans un liquide de spin.

La découverte d’un liquide de spin est une branche de recherche très active en matière condensée et une récente étude publiée dans la prestigieuse revue Physical Review Letters propose qu’un tel état quantique a été trouvé dans un cristal produit à l’UdeM, faisant de ce matériau le meilleur exemple à ce jour de ce remarquable état de la matière.

Le composé pyrochlore Ce₂Zr₂O₇ a été synthétisé pour la première fois sous forme de monocristal par Jérémi Dudemaine, sous la direction du Pr Bianchi. En collaboration avec le groupe du Pr Gaulin de l’Université McMaster, les chercheurs de l’UdeM  ont démontré l’absence de réflexion de Bragg magnétique dans cet aimant et cela, même jusqu’à une température de 30 millikelvins, ce qui suggère que Ce₂Zr₂O₇ soit un liquide de spin. De plus, les excitations magnétiques observées par neutrons dans le composé Ce₂Zr₂O₇ révèlent la possibilité qu’elles puissent correspondre à l’émergence de monopoles magnétiques et électriques ainsi que de photons. Avec un tel matériau, les physiciens du monde entier pourront tester leurs théories et répondre aux nombreuses questions qui demeurent quant ces états fascinants.

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https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.122.187201