Le liquide de spin quantique est un état de la matière dans lequel les moments magnétiques des atomes se comportent comme un liquide : ils oscillent constamment et ne s'ordonnent pas de manière rigide, même à très basse température. L'un des modèles théoriques les plus connus d'un tel liquide a été proposé par Alexeï Kitaev. Il décrit des particules sur un réseau hexagonal interagissant d'une manière particulière — ce qu'on appelle l'échange de Kitaev.
Dans ce nouveau travail, les auteurs ont ajouté des charges libres (trous) à ce modèle et ont examiné si la supraconductivité pouvait apparaître. Grâce à une méthode de calcul puissante, ils ont découvert que c'était effectivement possible. De plus, le type de supraconductivité dépend de la nature de l'interaction magnétique. Si l'interaction est ferromagnétique — lorsque les moments magnétiques ont tendance à s'aligner dans la même direction — alors avec un nombre modéré de trous, une supraconductivité triplet apparaît. Dans celle-ci, les paires d'électrons ont un spin de 1. Cette supraconductivité coexiste obstinément avec le ferromagnétisme, mais disparaît lorsque le matériau devient complètement aimanté.
Si l'interaction est antiferromagnétique — les moments magnétiques voisins tendent à être opposés — le tableau devient plus complexe. Avec un petit nombre de trous, la supraconductivité triplet domine encore, mais à mesure que leur nombre augmente, la supraconductivité singulet avec symétrie d+id commence à jouer le rôle principal. Cette transition progressive entre deux types d'appariement est un phénomène rare et intrigant.
Les auteurs ont également montré que la supraconductivité triplet se renforce avec l'augmentation de l'aimantation et atteint un pic juste avant la saturation magnétique complète. Cela donne un repère clair pour les expériences : il faut chercher une supraconductivité inhabituelle dans des matériaux de Kitaev légèrement dopés, qui sont à la limite de l'ordre magnétique.
Les liquides de spin quantiques pourraient être utiles pour créer des qubits topologiques — des éléments de calcul quantique résistants aux perturbations.