Des chercheurs japonais trouvent une énigme de physique quantique vieille de près de 50 ans

Le comportement collectif est un phénomène inhabituel en physique de la matière condensée. Lorsque les spins quantiques interagissent ensemble en tant que système, ils produisent des effets uniques qui ne sont pas observés dans les particules individuelles. Comprendre comment les spins quantiques interagissent pour produire ce comportement est central pour la physique moderne de la matière condensée.

Parmi ces phénomènes, l’effet Kondo – l’interaction entre les spins localisés et les électrons de conduction – joue un rôle central dans de nombreux phénomènes quantiques.

Pourtant, dans les matériaux réels, la présence de charges supplémentaires et de degrés de liberté orbitaux rend difficile l’isolation du mécanisme quantique essentiel derrière l’effet Kondo. Dans ces matériaux, les électrons n’ont pas seulement un spin, ils se déplacent également et peuvent occuper différentes orbitales. Lorsque tous ces comportements supplémentaires se mélangent, il devient difficile de se concentrer uniquement sur les interactions de spin responsables de l’effet Kondo.

Le modèle du collier de Kondo, proposé en 1977 par Sebastian Doniach, simplifie le réseau de Kondo en se concentrant exclusivement sur les degrés de liberté de spin. Ce modèle a longtemps été considéré comme une plateforme conceptuelle prometteuse pour explorer de nouveaux états quantiques ; cependant, sa réalisation expérimentale était restée un défi ouvert pendant près d’un demi-siècle.

L’une des questions clés est de savoir si l’effet Kondo et le comportement qui en résulte changent fondamentalement en fonction de la taille du spin localisé. Comprendre cette propriété serait universellement important dans la recherche sur les matériaux quantiques.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur associé Hironori Yamaguchi de la Graduate School of Science de l’Université métropolitaine d’Osaka a réussi à réaliser un nouveau type de collier de Kondo en utilisant un matériau hybride organique-inorganique précisément conçu, composé de radicaux organiques et d’ions nickel. Cette réalisation a été rendue possible par RaX-D, un cadre avancé de conception moléculaire qui permet un contrôle précis de l’agencement moléculaire dans le cristal et des interactions magnétiques qui en résultent.

S’appuyant sur leur réalisation antérieure d’un collier de Kondo à spin 1/2, les chercheurs ont démontré que le comportement de l’effet Kondo change qualitativement lorsque le spin localisé (spin décollé) est augmenté de 1/2 à 1. Des mesures thermodynamiques ont révélé une transition de phase claire vers un état magnétique ordonné.

Grâce à une analyse quantique, l’équipe a clarifié que le couplage de Kondo médie une interaction magnétique effective entre les moments de spin-1, stabilisant ainsi un ordre magnétique à longue portée.

Ce résultat renverse le point de vue traditionnel selon lequel l’effet Kondo supprime principalement le magnétisme en liant les spins libres en singulets, un état maximalement intriqué dont le spin total est zéro. Au lieu de cela, l’étude montre que lorsque le spin localisé est supérieur à 1/2, la même interaction de Kondo fonctionne dans la direction opposée, favorisant l’ordre magnétique.

En comparant côte à côte les réalisations spin-1/2 et spin-1 sur une plateforme propre de spin uniquement, les chercheurs ont identifié une nouvelle frontière quantique : l’effet Kondo forme inévitablement des singulets locaux pour les moments de spin-1/2, mais stabilise l’ordre magnétique pour le spin-1 et au-delà.

Cette découverte fournit la première preuve expérimentale directe que la fonction de l’effet Kondo dépend fondamentalement de la taille du spin.

« La découverte d’un principe quantique dépendant de la taille du spin dans l’effet Kondo ouvre un tout nouveau domaine de recherche sur les matériaux quantiques, explique Yamaguchi. La capacité de basculer les états quantiques entre des régimes non magnétiques et magnétiques en contrôlant la taille du spin représente une stratégie de conception puissante pour les matériaux quantiques de nouvelle génération.

Découvrir que l’effet Kondo fonctionne de manière fondamentalement différente selon la taille du spin offre une perspective nouvelle sur notre compréhension de la matière quantique et établit une nouvelle base conceptuelle pour l’ingénierie des dispositifs quantiques à base de spin.

Contrôler si un réseau de Kondo devient magnétique ou non magnétique est très pertinent pour les futures technologies quantiques car cela offre un moyen de contrôler des comportements importants comme l’intrication, le bruit magnétique et les comportements critiques quantiques. Les chercheurs espèrent que leurs découvertes aideront à innover de nouveaux matériaux quantiques et pourront finalement contribuer au développement de technologies quantiques émergentes, y compris les dispositifs d’information quantique et l’informatique quantique.

Article : Emergence of Kondo-assisted Néel order in a Kondo necklace model – Journal : Communications Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Osaka U.