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La diffusion de neutrons révèle une nouvelle classe de transitions entre phases topologiques


​Pour la première fois, une collaboration incluant l'Inac et l'Iramis a confirmé, à la fois par l'expérience et la théorie, l'existence d'une nouvelle famille de transitions de phases, impliquant non pas une mais deux classes de défauts topologiques. Par application d'un champ magnétique, les chercheurs ont pu contrôler cette transition dans un oxyde de cobalt à structure quasi-unidimensionnelle (Bacovo). 

Publié le 3 juillet 2018
​Certaines transitions de phase non classiques sont liées à la présence de défauts « topologiques » dans le matériau. Ceux-ci ont la particularité de ne pouvoir apparaître ou disparaître qu'en association avec leur défaut inverse, un peu comme un tas de terre et le trou d'où vient la terre… À haute température, défauts et « anti-défauts » prolifèrent tant et si bien que le matériau apparaît uniformément désordonné. À basse température, les défauts dispersés se font plus rares et deviennent visibles individuellement ou associés à leur anti-défaut. Le passage d'une configuration à l'autre définit une transition de phase topologique. Celle-ci peut conduire, à basse température, à des états étranges de la matière : « liquide » de spin, supraconducteur, superfluide.

À la suite des travaux des Prix Nobel de physique de 2016, une équipe de chercheurs s'est intéressée à un matériau présentant des défauts topologiques : le composé en hélice Bacovo (BaCo2V2O8), aux propriétés magnétiques remarquables.

La diffusion de neutrons, qui est l'outil de choix pour explorer le magnétisme, a permis la découverte d'une transition de phase d'une nature nouvelle inconnue. L'application d'un champ magnétique externe variable a en effet révélé deux phases dominées par les défauts d'ordre d'une chaîne de spins. Ces défauts sont associés respectivement aux projections du spin selon deux axes orthogonaux au champ magnétique. Ces deux projections du spin ne pouvant être mesurées simultanément, les phases topologiques correspondantes sont bien distinctes.

La transition entre ces deux phases topologiques a été observée pour une valeur du champ de l'ordre de 10 teslas et a pu être interprétée grâce à des schémas théoriques, élaborés par des théoriciens de l'Université de Genève (Suisse) et confirmés par des expériences supplémentaires de diffusion de neutrons polarisés.

Cette observation d'une nouvelle classe de transitions de phases topologiques permet une meilleure compréhension des phénomènes en jeu, qui pourra orienter l'élaboration de nouveaux matériaux quantiques et ouvrir de nouvelles voies dans l'étude de leurs propriétés.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Université Grenoble Alpes (UGA), l'Institut Néel (CNRS/UGA), l'Université de Genève, l'Institut Laue-Langevin (Grenoble) et l'Institut Paul Scherrer (Villigen, Suisse).

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