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Une avancée majeure en physique quantique a été réalisée par des chercheurs chinois : ils ont observé pour la première fois expérimentalement la condensation de Bose-Einstein (BEC) d’un état lié de deux magnons dans un matériau magnétique. Cette découverte inédite a été effectuée grâce à un spectromètre de résonance de spin électronique à champ magnétique élevé, installé au sein de l’infrastructure SHMFF en Chine.
La condensation de Bose-Einstein, un phénomène quantique spectaculaire
La condensation de Bose-Einstein est un état quantique dans lequel des particules bosoniques se rassemblent dans un même état fondamental à des températures extrêmement basses, formant ainsi un ensemble cohérent unique. Jusque-là, ce phénomène avait été principalement observé dans des gaz d’atomes refroidis à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu.
Ce qui rend cette nouvelle découverte particulièrement remarquable, c’est qu’elle concerne des quasi-particules magnétiques appelées magnons. Un magnon représente une excitation collective des spins électroniques dans un réseau cristallin.
Une paire de magnons agissant comme une entité unique
Les chercheurs ont démontré que dans le cristal Na₂BaNi(PO₄)₂, les magnons peuvent s’apparier pour former un état lié, puis se condenser. Ce comportement est analogue à celui des paires de Cooper observées en supraconductivité. Néanmoins, une différence fondamentale existe : en supraconductivité, ce sont des fermions qui s’associent, tandis que dans ce cas, ce sont des bosons, ce qui implique une physique sous-jacente très différente.
Les particularités du matériau Na₂BaNi(PO₄)₂
Le cristal étudié possède une structure en réseau triangulaire, un système dit frustré dans lequel les interactions magnétiques sont en compétition. Dans un tel réseau, les spins ne peuvent pas s’aligner simplement, ce qui engendre des comportements quantiques exotiques.
Dans ce cadre, les magnons interagissent d’une manière inhabituelle. Sous l’effet d’un champ magnétique appliqué et à basse température, les magnons se regroupent deux par deux et entrent dans une phase condensée, créant ainsi une nouvelle phase quantique jamais observée auparavant.
Des méthodes d’analyse innovantes pour valider la découverte
Plusieurs techniques avancées ont été mobilisées pour confirmer cette observation :
- La résonance de spin électronique haute fréquence : pour détecter les excitations magnétiques.
- La diffusion neutronique : permettant d’analyser la structure et les interactions des spins.
- La résonance magnétique nucléaire (RMN) : pour observer les modifications à l’échelle atomique.
L’association de ces méthodes a permis de prouver que la condensation de Bose-Einstein des états liés de magnons se produit effectivement dans ce matériau.
Une porte ouverte vers l’exploration de nouvelles phases quantiques
Cette découverte constitue une avancée significative pour l’étude des phases quantiques exotiques et la compréhension des organisations microscopiques des particules. Elle pourrait permettre d’identifier de nouveaux matériaux aux propriétés inattendues, avec des applications potentielles dans le stockage d’information quantique ou dans les technologies spintroniques.
Les réseaux triangulaires demeurent un terrain fertile pour les physiciens, et cette trouvaille marque une étape cruciale pour approfondir la connaissance des interactions quantiques émergentes.
