L'échelle magnétique des cristaux express
Un champ magnétique de 42 teslas, environ un million de fois plus intense que celui de la Terre. Dans un tel champ, le cristal SrCu₂(BO₃)₂ se comporte de manière inhabituelle : son aimantation n'augmente pas progressivement mais par sauts, se figeant à certaines valeurs. On pensait auparavant que ces paliers apparaissaient lorsque les spins des électrons (leurs minuscules aiguilles magnétiques) s'alignaient selon un motif géométrique strict, comme des soldats au garde-à-vous.
Mais des calculs sur réseaux de tenseurs ont suggéré une autre image. Sur les paliers à 1/8 et 2/15 de l'aimantation totale, les électrons ne se placent pas individuellement, mais s'associent en paires de spin 2. Ces paires se comportent comme des particules indépendantes et se figent en un réseau régulier, formant un cristal de paires. Les physiciens appellent cela un cristal de Wigner d'états liés.
Pour vérifier cette hypothèse, les auteurs ont utilisé la résonance magnétique nucléaire sur les noyaux de cuivre-63 et de cuivre-65 dans un champ allant jusqu'à 41,9 teslas. Les spectres sur le palier à 1/3 ont permis de calibrer le modèle, puis les données pour 1/8 et 2/15 ont été comparées aux prédictions. Le résultat correspond exactement au scénario de paires. La version avec un cristal de triplets isolés (paires électron-trou liées) ne convenait pas.
Ce mécanisme, un cristal de Wigner d'états liés, n'avait jamais été envisagé comme base pour des paliers magnétiques. C'est désormais un nouveau scénario fondamental qui pourrait s'appliquer à d'autres aimants quantiques.
Le champ de 42 teslas utilisé dans l'expérience est si puissant qu'il pourrait soulever une petite voiture.
L'idée d'un cristal de particules appariées évoque les « glaces » du roman de Kurt Vonnegut « Le Berceau du chat », où l'eau se solidifiait en une forme inhabituelle au contact d'une substance spéciale.