Des scientifiques découvrent un nouvel état de la matière: le Quantum Spin Liquid

Les physiciens du laboratoire national d'Oak Ridge au Tennessee et de l'Université de Cambridge ont découvert un nouvel état de la matière. Les résultats novateurs, rapportés dans le journal La nature, détaillent les observations de l’état à longue théorie mais toujours insaisissable connu sous le nom de «liquide à spin quantique» - dans lequel les électrons semblent se briser en morceaux plus petits.

"C’est un nouvel état quantique de la matière, qui a été prédit mais qui n’a jamais été vu auparavant", a déclaré Johannes Knolle, scientifique au Cambridge Cavendish Laboratory et l'un des coauteurs du journal, dans un communiqué de presse.

Toute personne possédant des connaissances de base en physique sait qu'il existe trois états majeurs de la matière: les solides, les liquides et les gaz. Les personnes ayant un peu plus de connaissances peuvent connaître les deux autres états classiques: les plasmas (particules chargées libres constituant les événements de haute énergie) et les colloïdes (le «entre deux» constitue deux états à la fois, comme le beurre).

Pourtant, il existe plus d'une douzaine d'autres États, observables uniquement à de très petites échelles ou lors d'événements très phénoménaux. L’un d’eux est le Quantum Spin Liquid: un état chaotique qui nécessite un peu plus d’explications avant de pouvoir vraiment comprendre ce qui se passe.

Selon la mécanique quantique, chaque particule peut présenter deux types de moment cinétique. Le premier est le moment angulaire orbital, et le second est la rotation. Une analogie grossière pour ces deux actions respectives est une planète tournant autour du soleil, présentant à la fois une orbite et une rotation axiale.

Lorsqu'un système a réalisé une série de spins quantiques en interaction, on pense qu'il se trouve dans un état désordonné de la même manière que l'eau liquide est désordonnée par rapport à la glace solide. Quantum spin liquid a un comportement similaire, mais à basse température. Au lieu de se rassembler de manière uniforme, de manière à rassembler une substance à l’état solide, un bloc de matière dont le tourbillon liquide est quantique continuera à se comporter de manière irrégulière comme un fouillis chaud. En fait, l'activité est si extrême que les particules se décomposent. C’est une scène qui contredit exactement ce à quoi on pourrait s’attendre dans des environnements froids.

Dans ce cas, l'équipe de recherche a observé des particules fractionnaires connues sous le nom de fermions de Majorana dans un matériau bidimensionnel similaire au graphène. Ce qu’ils ont observé était semblable à un modèle liquide hypothétique de spin quantique connu sous le nom de modèle de Kitaev. Les résultats marquent enfin la fin des 40 années de recherche de cet état de la matière.

Plus précisément, les nouvelles observations de liquide à spin quantique mettent en lumière une propriété connue sous le nom de division d’électrons, qui pourrait un jour aider à construire de nouveaux types d’ordinateurs quantiques fonctionnant beaucoup plus rapidement que les machines actuelles en contournant les limites des matériaux conventionnels.

Ce genre de percée concerne des décennies dans l’avenir. Cependant, le simple fait que nous ayons pu observer un nouvel état de la matière dans la chair ne soit qu'un autre signe que les humains doivent encore gratter la surface pour comprendre comment fonctionne le monde naturel.