Des physiciens américains de l'Université de Yale et du Los Alamos National Laboratory ont découvert un alliage métallique spécial dont les propriétés ressemblent à des superfluides. Cette substance est une sorte de glace de spin, à l'intérieur de laquelle apparaissent des analogues de vortex quantiques. L'article de scientifiques a été publié dans la revue Nature Physics.
La glace de spin est une substance dans laquelle l'orientation des moments magnétiques des ions chargés ressemble à la disposition des atomes d'hydrogène (protons) dans la glace d'eau. Lorsque l'eau gèle, les atomes à l'intérieur de la cellule tétraédrique du cristal sont disposés de telle manière que l'atome d'oxygène d'une molécule d'eau est entouré de quatre protons. Dans ce cas, deux protons sont plus éloignés que les autres, car ils appartiennent à deux autres molécules d'eau. De même, dans la glace de spin, les moments magnétiques de deux ions sont dirigés vers l'intérieur du tétraèdre et les deux autres vers l'extérieur. Essentiellement, la glace de spin est constituée de minuscules nanomagnets.
Les physiciens ont étudié un type de glace de spin formée par le réseau Shakti. Il permet de nombreuses configurations de moments magnétiques au cours desquelles l'énergie d'interaction dans les cellules est minimisée. Cependant, certaines des configurations sont dans un état excité et leur apparition dans la glace de rotation est inévitable. En conséquence, une frustration géométrique se produit - un phénomène dans lequel le système entier ne peut pas être complètement gelé (même à zéro absolu), car il n'a pas un seul état de base. Ce comportement est typique de toutes les glaces de spin.
Au cours de l'étude, les scientifiques ont réalisé une microscopie électronique à photoémission de glace de spin (PEEM) à base de permalloy, un alliage de fer et de nickel (Ni81Fe19). L'irradiation de l'échantillon avec des rayons X a permis d'enregistrer les changements dans les moments magnétiques qui se produisent avec la température décroissante. L'échantillon de glace centrifuge a d'abord été refroidi de 290 Kelvin (K) à 220 K, puis à 180 K et moins (1 K correspond à -272,15 degrés Celsius).
Bien que d'autres types de glace de rotation reconstruisent leurs réseaux avec une température décroissante afin d'atteindre l'état d'énergie le plus bas possible, il s'est avéré que le réseau Shakti "se coince" à un certain niveau. Cela se produit même si une restructuration à grande échelle du système pourrait minimiser l'énergie. Selon les conclusions des physiciens, cela indique que cette glace de spin a un ordre topologique global, et que les excitations sont topologiquement protégées de la diffusion et persistent pendant une longue période.
Des phases topologiquement ordonnées ont été précédemment décrites pour des systèmes de mécanique quantique qui peuvent prendre différents états avec la même énergie (états dégénérés). En d'autres termes, les excitations stables dans le réseau Shakti ressemblent en un sens aux vortex quantiques dans les superfluides, qui sont également protégés topologiquement en raison de la dégénérescence des états fondamentaux.
