Yb2Ti2O7 : un matériau quantique sous pression

Par Anaïs Vergnolle / Publié le 15 mars 2017

Les nouveaux états quantiques de la matière échappent encore souvent à l’observation expérimentale. Des chercheurs viennent de montrer pourquoi dans le composé minéral Yb2Ti2O7 : quelques atomes d’ytterbium (Yb) présents en excès parviennent à créer une pression suffisante pour induire une transition de phase vers un ordre magnétique plus conventionnel.


Un défaut atomique au sein de la structure peut être responsable d’une pression exercée sur les atomes voisins, et modifier les propriétés électroniques du matériau. © Edwin Kermarrec

Un nouvel état magnétique de la matière, baptisé glace quantique, pourrait exister à des températures inférieures à 2 K (-271,15 °C) au sein d’un minéral à base de terre-rare, Yb2Ti2O7. Dans cet état, l’orientation du champ magnétique créé par les atomes est parfaitement analogue à l’orientation des liaisons hydrogène-oxygène au sein de la structure de l’eau dans sa forme solide, d’où son nom de glace. En utilisant certains atomes magnétiques, tel que l’élément chimique ytterbium (Yb), cet état possèderait des propriétés quantiques fascinantes comme la superposition cohérente d’états, popularisée par le chat de Schrödinger, ou encore la formation de nouvelles (quasi)-particules électroniques.

L’observation d’un tel état quantique dans un matériau de grandes dimensions pourrait révolutionner nos idées sur le comportement collectif des électrons dans la matière, et nous permettre d’imaginer les propriétés physiques des matériaux quantiques de demain. Le composé Yb2Ti2O7 a fait l’objet de nombreuses études depuis le début des années 2000, sans que les scientifiques ne parviennent à conclure quant à la nature de l’état magnétique de ce composé à très basse température : s’agit-t-il d’une glace quantique ou bien d’une phase ferromagnétique ordinaire, proche de celle présente dans les aimants de la vie quotidienne ? Les résultats expérimentaux sont contradictoires.

Fin d’une controverse

Des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS/Université Paris-Sud) et de l’Université McMaster (Hamilton, ON, Canada) viennent de démontrer qu’il existe bien à très basse température un état sans ordre magnétique conventionnel, compatible avec la glace quantique, mais qui reste toutefois fragile face aux perturbations telle que l’application d’une forte pression. À l’aide de techniques spectroscopiques (diffraction de neutrons et µSR), les chercheurs ont pu démontrer qu’une pression équivalente à 25 000 fois la pression atmosphérique permettait en effet d’induire une transition de phase d’un état initial non-magnétique vers un état ferromagnétique. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.

Ce nouveau résultat met fin à la controverse. Des défauts à l’échelle atomique peuvent avoir un impact significatif sur les propriétés magnétiques macroscopiques du composé Yb2Ti2O7, expliquant les résultats expérimentaux qui semblaient jusque-là contradictoires. Ces mesures constituent une première étape pour mieux comprendre comment les états quantiques peuvent se former dans les matériaux réels.

Référence : « Ground state selection under pressure in the quantum pyrochlore magnet Yb2Ti2O7 », E. Kermarrec et al., Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS14810 (mars 2017).

Dernière modification le 15 mars 2017