Les spins sous pression : vers un état liquide quantique

Les liquides de spin sont des états exotiques de la matière quantique. Malgré des interactions d’échange fortes, les assemblées de spins dans ces états ne s’ordonnent pas, ni ne gèlent (même au zéro absolu), mais forment des états quantiques intriqués à longue portée. Comprendre la nature exacte de ces états fascinants constitue un défi théorique majeur en matière condensée, et leur réalisation dans des matériaux réels, présentant inévitablement des déviations par rapport aux modèles théoriques, reste un sujet de débat.

Or le composé antiferromagnétique Y-kapellasite (Y₃Cu₉(OH)₁₉Cl₈) est un système particulièrement intéressant à cet égard, car il présente une structure magnétique de type kagomé, sans défaut de substitution (voir insert de la figure). À pression ambiante, la faible distorsion de son réseau kagomé réduit partiellement la frustration magnétique, ce qui induit l’émergence d’un ordre magnétique en dessous de 2,2 K. Des travaux antérieurs ont néanmoins montré que ce matériau était proche d’une phase de liquide de spin. Cela fait donc de ce matériau un système idéal pour aborder une question centrale en magnétisme frustré : peut-on supprimer l’ordre magnétique et obtenir un fluide quantique en modulant uniquement la frustration, mais sans introduire de désordre ? 

Ces recherches ont été menées dans les unités CNRS suivantes :

• Laboratoire de Physique des Solides (LPS, CNRS / Université Paris-Saclay)

• Synchrotron SOLEIL

En utilisant la spectroscopie de muons sous pression hydrostatique, une équipe internationale de chercheurs et chercheuses a observé que le magnétisme statique présent à pression ambiante disparaît complètement à 23 kbar (voir figure). À cette pression, les spins restent dynamiques jusqu’aux températures les plus basses mesurées, sans signe de gel des spins. Des mesures complémentaires de diffraction des rayons X sous haute pression et de spectroscopie infrarouge révèlent que ce changement n’est pas dû à une transition de phase structurale (une modification topographique du réseau), car le réseau magnétique Cu–O reste essentiellement intact. Le rôle de la pression est de réduire progressivement l’anisotropie du réseau kagomé, ce qui accroît la frustration magnétique.

Dans de nombreux matériaux où une phase liquide de spin quantique est susceptible d’apparaître, la présence de désordre complique en général l’interprétation, car le désordre induit des signatures expérimentales semblables à celles attendues pour un liquide de spins. Dans le composé Y-kapellasite, en revanche, l’état fluctuant est stabilisé dans des monocristaux purs sous l’effet d’un paramètre de contrôle externe maîtrisé. Cette étude établit donc ce composé comme un système modèle rare, dans lequel l’ordre à longue portée est supprimé par une frustration contrôlée par pression, offrant une voie particulièrement prometteuse pour l’étude d’un liquide de spin quantique sans désordre. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.