Balançoires magnétiques : pourquoi l'ordre ne vient pas express
Les atomes magnétiques dans un solide ressemblent à des aiguilles de boussole : d'habitude, en refroidissant, ils s'alignent dans une même direction — c'est ainsi qu'apparaît le magnétisme. Mais dans le composé TbInO3, les aiguilles de terbium sont disposées sur un réseau triangulaire, où il est impossible de satisfaire tous les voisins à la fois. Une aiguille veut pointer vers le nord, une autre vers le sud, et au final aucune ne peut trouver de position stable.
Les scientifiques ont fait croître un film extrêmement mince de ce composé et l'ont refroidi à 20 millikelvins — c'est cent fois plus froid que la température à laquelle les aiguilles auraient dû s'aligner selon les estimations simples. Même à ce froid, l'ordre n'est pas venu : les aiguilles continuaient à osciller, comme un liquide qui ne gèle pas en glace. Pour observer cela, les physiciens ont utilisé des résonateurs supraconducteurs — des dispositifs qui captent les faibles signaux magnétiques de minuscules échantillons, comme une oreille attentive entend un murmure dans une pièce silencieuse.
Ce résultat est une étape importante vers la détection du liquide de spin quantique. Dans cet état, les aiguilles magnétiques ne se figent pas même au zéro absolu, mais fluctuent continuellement, formant un état collectif intriqué. Comprendre de tels matériaux pourrait aider à créer de nouvelles technologies quantiques, où l'information est stockée dans des mouvements collectifs insaisissables, et non dans des particules individuelles.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.14545
Minimizing the energy of a many body system tends to favor order, but classical frustration and quantum fluctuations destabilize that order. The tension between these effects can produce exotic quantum states of matter. Quantum spin liquid (QSL) states emerge in models of localized magnetic moments where the crystal lattice connectivity frustrates ordering, and the exchange interaction of neighboring spins strengthens quantum fluctuations. Experimentally identifying a QSL in a real material is challenging from the lack of an order parameter. Piecing together evidence from varied techniques is necessary for diagnosing the nature of the ground state -- QSL or otherwise -- of a frustrated spin system. In this work, we use coplanar superconducting resonators to probe magnetic excitations in epitaxially grown thin films of a spin liquid candidate TbInO3. Adapting microwave techniques from the field of circuit quantum electrodynamics, we measure responses of these thin films whose volume is too low for applying conventional bulk techniques. In-plane susceptibility extracted from the spin resonance signal indicates extreme frustration of magnetic order down to 20 mK, over two orders of magnitude lower than the Curie-Weiss energy scale. Through a crystal field analysis, we identify the doublet eigenstates comprising the ground state. As a consequence of improper ferroelectricity, Tb moments split into two flavors with distinct g-factors reflecting the local crystal field environment of each site. Spin-orbit coupling, crystal fields, magnetic frustration and improper ferroelectricity distinctively combine to shape the magnetic ground state of TbInO3. This work establishes a measurement technique using superconducting resonators to probe thin films of frustrated magnets, and applies this technique towards building a coherent understanding of the magnetic properties of TbInO3.
La température de 20 millikelvins équivaut à 0,02 degré au-dessus du zéro absolu. C'est plus froid que dans l'espace interstellaire, où la température est d'environ 2,7 kelvins.