Des neutrons pour observer une transition de phase quantique

Dans certains matériaux, la mécanique quantique joue un rôle essentiel dans le comportement collectif des électrons. Par exemple, lorsqu’une pression est appliquée sur l’échantillon, les aimants élémentaires portés par les électrons peuvent s’aligner (ou se désaligner) les uns avec les autres. A très basse température, ce phénomène est connu sous le nom générique de « transition de phase quantique ». Les systèmes dits à fermions lourds, où les électrons ont une masse effective de 100 à 1000 fois plus grande que celle d’un électron libre, sont particulièrement adaptés à l’étude des transitions de phase quantique. Pour décrire ces systèmes, les physiciens ont à leur disposition deux approches théoriques concurrentes.

Dans un scénario conventionnel, les fluctuations magnétiques quantiques collectives (corrélées spatialement) jouent un rôle principal pour la transition, tandis que dans un modèle proposé plus récemment, ce sont des fluctuations magnétiques locales (qui ne voient pas celles des sites voisins) qui dominent. Grâce à des mesures effectuées à l’Institut Laue Langevin de Grenoble et au Laboratoire Léon Brillouin à Saclay, des physiciens du CEA-Grenoble, du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses à Toulouse (CNRS) et de l’Institut Néel (CNRS) à Grenoble ont pu tester et discriminer ces deux approches. Ils ont ainsi validé le scénario conventionnel, où des fluctuations du paramètre d’ordre gouvernent la transition de phase quantique. Le scénario de criticalité magnétique locale est écarté sans ambiguïté. Plus largement, ce résultat est une nouvelle étape vers la résolution d’une question qui taraude les physiciens depuis de nombreuses années : "comment les fluctuations magnétiques d’une transition de phase quantique peuvent-elles conduire à l’apparition de supraconductivité ?"

Les physiciens grenoblois et toulousains ont soumis leur échantillon de Ce_1-xLa_xRu₂Si₂ à un flux de neutrons dont ils ont mesuré la diffusion. En faisant varier la concentration en Lanthane, et en effectuant les mesures sur une large gamme de températures, ils ont mesuré les propriétés magnétiques de l’échantillon de part et d’autre de la transition, en caractérisant les fluctuations du paramètre d’ordre antiferromagnétique (dans lequel les électrons voisins sont orientés « tête bêche »). Ce résultat permet de valider le scénario conventionnel, où des fluctuations du paramètre d’ordre gouvernent la transition de phase quantique. Ce travail, publié dans la revue Nature Physics, est un élément de plus à ajouter aux débats sur la nature microscopique des transitions de phase quantique.

Diagramme de phase du système à fermions lourds Ce_1-xLa_xRu₂Si₂.

L’intensité (en couleurs) correspond à la susceptibilité magnétique au vecteur d’onde antiferromagnétique, c’est à dire à l’intensité des fluctuations antiferromagnétiques.