Diagramme de phases et signatures spectroscopiques d’un suprasolidité dans l’aimant de type Ising quantique K2Co(SeO3)2

Le monde étrange des solides qui s’écoulent

Imaginez un matériau à la fois cristal rigide et fluide sans frottement. Cet état contre‑intuitif, appelé « suprasolidité », fascine les physiciens depuis des décennies mais reste très difficile à observer dans des matériaux réels. Dans ce travail, les chercheurs montrent qu’un aimant à base de cobalt, K2Co(SeO3)2, se comporte précisément de cette manière exotique. En cartographiant avec soin la façon dont ses spins — de minuscules aimants atomiques — s’organisent et fluctuent à des températures extrêmement basses et sous champs magnétiques intenses, ils révèlent non pas une mais deux phases distinctes de suprasolidité, ouvrant une fenêtre expérimentale accessible sur certaines des formes les plus étranges de la matière quantique.

Un terrain de jeu magnétique plat

La clé de cette découverte tient à la géométrie et à la frustration. Dans K2Co(SeO3)2, les ions de cobalt magnétiques occupent des couches triangulaires planes. Sur un tel réseau, les spins voisins préfèrent s’aligner en sens opposé, mais trois spins sur un triangle ne peuvent pas satisfaire cette règle simultanément. Cette « frustration » conduit à un grand nombre d’arrangements presque équivalents, comme un paquet de cartes mélangé où de nombreux motifs ont presque le même coût en énergie. À champ magnétique nul et basse température, des expériences de diffusion de neutrons montrent que les spins choisissent un motif répétitif avec une maille à trois sites, brisant la périodicité régulière du cristal. En même temps, les spins ne se figent pas complètement : l’amplitude du moment ordonné est fortement réduite, ce qui indique une intense activité quantique qui maintient le système à la frontière entre ordre et désordre.

Quand ordre et écoulement coexistent

Pour déterminer si cet état agité est une suprasolidité, l’équipe a étudié le mouvement des spins, pas seulement leur arrangement. Grâce à une spectroscopie neutronique très sensible, ils ont observé que le système supporte des bandes larges d’excitations magnétiques plutôt que les ondes nettes attendues dans un aimant simple. À un vecteur d’onde particulier imposé par le motif triangulaire, ils ont observé simultanément deux ingrédients clés : un mode dont l’énergie s’annule et un autre présentant une petite mais finie ouverture d’énergie. En langage des symétries, ces caractéristiques signalent que le système rompt à la fois une symétrie continue de rotation des spins (analogue à un superfluide capable d’un écoulement sans résistance) et une symétrie discrète de translation (analogue à un cristal avec un motif de densité périodique). Ensemble, ce sont les deux signatures d’une suprasolidité dans ce contexte magnétique.

Une carte des phases quantiques en champ magnétique

L’application d’un champ magnétique le long de l’axe facile des spins permet aux chercheurs d’ajuster l’équilibre entre arrangements concurrents. Des mesures de capacité calorifique et d’aimantation sur une large gamme de températures et de champs révèlent un diagramme de phases détaillé. À des champs modérés, les spins s’organisent en un motif « up–up–down » sur chaque triangle, conduisant à un plateau robuste où l’aimantation se bloque à un tiers de sa valeur maximale. Cette transition de phase se comporte comme prévu pour un modèle de Potts bidimensionnel bien connu, confirmant que les interactions sous‑jacentes sont extrêmement proches d’un cas théorique idéal. À des champs plus faibles, les données montrent que le système bascule en douceur vers le régime de suprasolidité de basse valeur de champ, où des longueurs de corrélation longues mais finies rompent effectivement la symétrie en trois sous‑réseaux même en l’absence de champ.

Une seconde suprasolidité près de la polarisation complète

Les surprises ne s’arrêtent pas aux forts champs. À mesure que l’aimantation approche de la saturation, des mesures détaillées d’aimantation et d’entropie révèlent une phase additionnelle prise en sandwich entre le plateau au tiers et l’état pleinement aligné. La théorie pour le même modèle sur réseau triangulaire prédit que dans cette fenêtre de champ le système héberge à nouveau une suprasolidité : les spins sont presque tous alignés, mais une petite fraction peut encore se mouvoir de façon cohérente, donnant lieu à un état mixte combinant motif rigide et écoulement quantique. L’expérience concorde avec ces prédictions, y compris le saut net de type premier ordre attendu à l’entrée de cette suprasolidité de haut champ. En analysant le spectre d’ondes de spin dans la phase de plateau, l’équipe détermine aussi les intensités d’interaction et montre que seuls les voisines les plus proches jouent un rôle significatif, faisant de K2Co(SeO3)2 une réalisation exceptionnellement pure du modèle idéal.

Pourquoi c’est important pour les matériaux quantiques

Pour un non‑spécialiste, le message principal est que K2Co(SeO3)2 sert de laboratoire pour une matière qui se comporte de façons apparemment contradictoires : solide et superfluide à la fois. Dans cet aimant, les positions des spins forment un motif périodique comme les atomes d’un cristal, tandis que leur mouvement quantique reste délocalisé et cohérent, comme dans un fluide. Cette combinaison produit des phases de suprasolidité qui ne sont plus de simples curiosités théoriques mais sont désormais cartographiées en détail et sondées avec des outils spectroscopiques puissants. Comme les échelles d’énergie en jeu sont bien plus élevées que dans des candidats antérieurs, ce matériau permet des mesures précises et des tests nets de la théorie, faisant de lui un système de référence pour comprendre comment les fluctuations quantiques peuvent façonner des états de matière entièrement nouveaux.

Citation: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

Mots-clés: suprasolidité, magnétisme frustré, réseau triangulaire, système de spins quantiques, diffusion de neutrons