Si vous jetez une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un aimant, il y a aussi des ondes — mais ce ne sont pas les molécules d'eau qui oscillent, ce sont les directions des flèches magnétiques des atomes. Ces ondes sont appelées magnons, et leur comportement en dit long sur les forces invisibles entre les atomes.
Dans la nouvelle expérience, un faisceau de neutrons a été envoyé à travers des cristaux de Na₂IrO₃ — un composé de sodium, d'iridium et d'oxygène. Les neutrons, telles des billes microscopiques, rebondissent sur les atomes et perdent de l'énergie en excitant des magnons. Il s'avère que ces ondes ont une énergie minimale — une fente de 1,7(1) meV. C'est comme si les cercles à la surface de l'eau ne pouvaient pas être plus petits qu'une certaine taille. Cette fente provient de l'ordre en zigzag des moments magnétiques : les atomes ne s'alignent pas droit, mais en serpentin, et l'onde doit franchir ce motif.
Ces matériaux intéressent les physiciens car ils pourraient réaliser ce qu'on appelle la physique de Kitaev — un type particulier d'état magnétique, semblable à un liquide quantique de spins. Dans un tel liquide, les flèches magnétiques des atomes ne se figent pas même au zéro absolu, mais oscillent en permanence. Na₂IrO₃ et α-RuCl₃ sont deux candidats pour ce rôle, mais leur comportement diffère en raison du signe des interactions entre atomes voisins. Les nouvelles données aident à affiner le modèle : dans Na₂IrO₃, l'échange entre plus proches voisins est antiferromagnétique, tandis que dans α-RuCl₃, il est ferromagnétique. C'est comme la différence entre deux ressorts : l'un pousse les flèches voisines dans des directions opposées, l'autre dans la même direction.
Comprendre de tels matériaux pourrait mener à la création de nouvelles technologies quantiques, où l'information est stockée et traitée à l'aide de spins plutôt que de charges. Pour l'instant, ce sont des recherches fondamentales, mais chaque expérience précise nous rapproche de la maîtrise des états magnétiques à l'échelle atomique.
L'énergie de 1,7 meV est environ cent millions de fois plus petite que l'énergie d'un photon de lumière visible. Pour chauffer un gramme d'eau d'un degré, il faudrait environ 10²⁰ de ces magnons.