L’évolution complète du verre de spin, de l’ordre au chaos

Comment se fait-il que notre univers soit en proie au désordre, alors que toutes les particules élémentaires semblent obéir à des lois physiques strictement ordonnées ? Et existe-t-il des principes d’organisation derrière ce désordre et ce chaos apparent ?

L’étude de ces questions fondamentales passe notamment par l’analyse des assemblages de spins : cette propriété quantique qui fait que les électrons se comportent comme de minuscules aimants en forme de barre, avec une orientation préférentielle vers le haut ou vers le bas. Les spins voisins s’alignent soit en parallèle (haut-haut), soit en antiparallèle (haut-bas-haut-bas), comme dans les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques, respectivement. Cet ensemble de règles simples rend les systèmes de spin très intéressants pour étudier l’émergence de l’ordre.

Cependant, alors que la théorie du spin est bien établie, la création des conditions matérielles permettant d’observer le désordre de spin s’est avérée particulièrement difficile à réaliser. Si les physiciens ont réussi à créer des matériaux exotiques présentant un désordre de spin, le suivi de l’évolution de l’ordre vers le désordre au sein de ces matériaux a été entravé par l’absence d’un point de départ clair.

Dans une nouvelle étude publiée aujourd’hui dans Matter, des chercheurs de l’Unité de magnétisme électronique et quantique de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) ont réussi à suivre l’évolution de l’organisation des spins dans un cristal antiferromagnétique bien ordonné à mesure qu’un désordre chimique y est progressivement introduit. L’équipe a non seulement relevé la barre en matière d’étude du magnétisme exotique, mais a également proposé une définition vérifiée expérimentalement de ce qu’on appelle le « verre de spin », qui représentait auparavant un fossé fondamental entre la physique théorique et la science des matériaux.

« Depuis plus de cinquante ans, les physiciens abordaient le désordre de spin comme des aveugles face à un éléphant », explique le professeur Yejun Feng, auteur principal. « Nous avons élevé l’éléphant depuis sa naissance et suivi son histoire. Cela nous a pris sept ans, mais nous pensons que notre méthodologie ouvrira la voie à de futures découvertes en physique classique et quantique. »

Magnétisme frustré, désordre chimique et spin figé

Dans les aimants, l’ordre décrit le degré de corrélation des spins dans l’espace. L’ordre à longue portée, qui caractérise les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques classiques, se caractérise par l’alignement des interactions de spin à travers le matériau. L’absence d’ordre à longue portée n’implique pas un caractère totalement aléatoire ; un ordre à courte portée peut persister là où des corrélations locales sont présentes, mais il s’affaiblit avant d’atteindre des échelles plus longues. Il a été démontré que d’autres états magnétiques fascinants existent, notamment les liquides de spin classiques et quantiques. Ces matériaux exotiques sont étudiés depuis longtemps afin d’approfondir notre compréhension de l’univers.

Les états désordonnés peuvent résulter soit d’une impureté chimique, soit d’une frustration magnétique, cette dernière désignant des situations dans lesquelles des interactions ferromagnétiques et antiferromagnétiques concurrentes ne peuvent être satisfaites simultanément. Dans les liquides de spin quantiques, cette frustration maintient les spins en fluctuation continue même à des températures proches de zéro, préservant un ordre à courte portée fluctuant de manière cohérente sans se figer dans une configuration spécifique. Cette propriété en fait des candidats potentiels pour des applications en informatique quantique, l’information étant stockée dans un état quantique jusqu’à sa récupération.

Traditionnellement, les verres de spin ont été conceptualisés comme une phase corrélée mais aussi frustrée, où, en dessous d’une température critique, les spins se verrouillent dans un état désordonné, gelant essentiellement le chaos fluctuant des liquides de spin classiques. Cela les a rendus particulièrement intéressants pour étudier l’agencement du désordre de spin de manière plus générale.

Les verres de spin résultent de spins indépendants

Si la nature théorique des verres de spin est bien établie et que les mathématiques sous-jacentes ont guidé les avancées dans des disciplines allant du repliement des protéines aux réseaux neuronaux, leur réalisation expérimentale est restée obscure en raison de questions concernant leur nature, leur structure, leurs propriétés matérielles et les degrés de désordre de spin.

Pour faire la lumière sur ces questions, l’équipe a choisi la ferrite de zinc qui, bien que largement étudiée, a été caractérisée à la fois comme un liquide de spin et comme un verre de spin. Au fil d’années de perfectionnement, l’équipe a fait croître un cristal de ferrite de zinc pur présentant un niveau de désordre sans précédent — mais ce n’est là que l’exploration a commencé.

« La ferrite de zinc présentait de nombreuses contradictions par le passé. Elle montre des signes de magnétisme exotique observés à la fois dans les liquides de spin et les verres de spin, caractéristiques d’un ordre à courte portée. Mais après purification, il se comportait comme un simple antiferromagnétique présentant un ordre à longue portée », raconte le Dr Margarita Dronova, dont le projet de doctorat de cinq ans à l’OIST a abouti à ces travaux. « En d’autres termes, l’organisation des spins semblait varier en fonction de la pureté chimique. Cela nous a laissé penser que nous pouvions contrôler le niveau d’organisation des spins. »

Au cours des années suivantes, l’équipe a soigneusement dopé les cristaux avec des quantités croissantes d’ions gallium, afin d’introduire un désordre chimique uniquement au niveau des sites de fer. L’organisation des spins qui en a résulté a été capturée en mesurant la diffusion magnétique diffuse des neutrons, la susceptibilité magnétique et la capacité thermique. En comparant des mesures croisées à différents niveaux d’impuretés, les chercheurs ont pu tracer l’évolution du désordre de spin — et, en fin de compte, clarifier la définition du verre de spin d’un point de vue expérimental. Feng poursuit :

« En prenant l’état antiferromagnétique comme référence, nous avons pu observer comment l’ordre à longue portée rivalisait avec l’ordre à courte portée à mesure que nous dopions les cristaux. Mais nous avons également constaté que, contrairement aux définitions précédentes, le comportement du verre de spin apparaissait indépendamment de l’ordre à courte portée. Avant la formation de clusters de spins corrélés, le verre de spin émergeait de spins singuliers et non corrélés. »

Cette reclassification fournit le contexte nécessaire à l’interprétation des études empiriques sur les verres de spin. Plus largement, cette méthodologie offre une approche plus solide des liquides de spin quantiques. « Pour véritablement comprendre les phases exotiques de la matière, nous avons besoin d’une compréhension approfondie de la base de référence », conclut Dronova. « Grâce à cette étude, nous avons établi des bases solides sur un matériau largement étudié, ce qui nous a permis de mettre à jour en toute confiance la définition des verres de spin. J’espère que cela contribuera à combler le fossé entre la théorie et l’expérience et guidera les futures études sur d’autres matériaux fascinants. »

Article : « Temporal and spatial separations between spin glass and short-range order » – DOI : 10.1016/j.matt.2026.102829

Source : OIST