Recherche sur les matériaux quantiques au moyen de la diffusion des neutrons

Par: Johnny Kung

13 Jan, 2021

13 janvier 2021

Le programme Matériaux quantiques du CIFAR réunit certains des plus grands spécialistes du monde, tant théoriciens qu’expérimentateurs, en physique de la matière condensée, en physique quantique, en génie des matériaux et dans des domaines connexes. Par la synthèse de nouveaux matériaux et l’élucidation de leurs propriétés, les boursiers du programme font des découvertes révolutionnaires qui promettent de constituer la base de nouvelles technologies quantiques susceptibles de révolutionner les communications, l’informatique et d’autres secteurs.

Dans le domaine de la recherche sur les matériaux quantiques, la diffusion des neutrons est l’une des techniques clés utilisées pour caractériser les matériaux. Comme les neutrons sont des particules électriquement neutres, ils peuvent pénétrer profondément dans les matériaux et nous aider à mieux comprendre leur structure atomique. Et comme les neutrons interagissent avec les champs magnétiques, ils constituent des outils essentiels pour sonder les propriétés magnétiques souvent inhabituelles des matériaux quantiques qui, en retour, influencent leur comportement électronique, comme la supraconductivité (un état où le courant électrique circule sans résistance). Plusieurs boursiers du CIFAR sont d’éminents spécialistes de la diffusion des neutrons et font progresser son application, tout en définissant les politiques et les infrastructures associées à cette technique.

En gros, il y a deux catégories de techniques de diffusion des neutrons : la diffraction des neutrons (ou diffusion élastique des neutrons), qui permet de déterminer la distribution spatiale magnétique; et la diffusion inélastique des neutrons, qui permet de sonder les fluctuations et excitations magnétiques, ainsi que d’autres propriétés dynamiques. Ces techniques de diffusion des neutrons sont essentielles à notre compréhension de la structure et du comportement magnétiques des matériaux quantiques.

Parmi les recherches récentes réalisées au moyen de la diffusion des neutrons par les chercheurs du programme « Matériaux quantiques » du CIFAR et leurs collaborateurs, mentionnons :

Des recherches menées par Claudia Felser et ses collègues sur la structure magnétique des composés de Heusler, une grande classe d’alliages métalliques multifonctionnels et hautement accordables (dont on peut ajuster les propriétés, p. ex., par des changements de température ou des substitutions chimiques). Notons entre autres l’IrMnGa, qui exhibe un comportement de verre de spin (où l’orientation magnétique, ou le spin, des atomes individuels est aléatoire, par opposition à un alignement comme dans les ferroaimants et ferriaimants « ordinaires »), et le Mn_1.4PtSn, un matériau qui contient des antiskyrmions (des espèces de « tourbillons » magnétiques qui pourraient constituer le fondement de futurs appareils de stockage et de traitement de l’information).
Les rapports de Bruce Gaulin et de ses collègues sur divers matériaux quantiques, dont le TbInO₃, un liquide de spin (composé cristallin où le spin des atomes constitutifs, comme les molécules dans les liquides réels, est désordonné et fluctue dynamiquement, et reste dans cet état même à très basse température); Yb₂Ti₂O₇ et Ho₂Ti₂O₇ (travaux réalisés avec Alannah Hallas) sont des exemples de glace de spin (une classe particulière de liquides de spin dont la structure magnétique est analogue à la structure moléculaire de la glace hydrique); et, une famille de supraconducteurs à haute température (y compris des travaux réalisés en collaboration avec Louis Taillefer).
Des études menées par Johnpierre Paglione et ses collègues sur le (Li_1-x-yFe_xMn_yOD) FeSe, un composé qui semble démontrer la coexistence de la supraconductivité et d’un ordre magnétique à grande distance, et le MoTe₂, un supraconducteur topologique candidat — tous deux pourraient servir de base à des ordinateurs quantiques « topologiques », plus résistants aux perturbations environnementales; et le Cu₂OSeO₃, un matériau qui renferme des tourbillons magnétiques appelés skyrmions.
Des travaux de Kate Ross et ses collègues sur une variété de matériaux qui nous aident à mieux comprendre le magnétisme quantique, notamment Yb₂Si₂O₇, Yb₂Ge₂O₇,, K₃Er(VO₄)₂, Fe₃PO₄O₃ et HoAgGe. De plus, Ross est membre d’un sous-comité consultatif qui a récemment analysé les arguments scientifiques en faveur des sources de neutrons à flux élevé pour le ministère américain de l’Énergie.

References

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