Comment se comporte un aimant quantique sous champ magnétique intense ? Depuis des décennies, la théorie prédit qu’une chaîne de spins 1 de Haldane, aimant quantique unidimensionnel paradigmatique, doit exhiber des états exotiques : un liquide de Tomonaga-Luttinger (TLL) unidimensionnel (1D) et, à basse température (lorsque les couplages 3D deviennent pertinents), un condensat de Bose-Einstein (BEC) d’excitations magnétiques. Jusqu’à présent, presque aucune de ces prédictions n’avait été testée expérimentalement sur une véritable chaîne de Haldane. Une collaboration internationale incluant Nicolas Laflorencie et Sylvain Capponi du Laboratoire de Physique Théorique (LPT) comble désormais cette lacune grâce à un cristal organique, dont le comportement est remarquablement bien décrit par des simulations numériques réalisées au LPT. Ces travaux, publiés dans Physical Review Letters en tant que « Editors’ Suggestion », ont été retenus pour la couverture du journal et sont mis en avant dans le magazine de l’APS Physics.
Dans une chaîne de Haldane, les fortes fluctuations quantiques produisent un état fondamental non magnétique, séparé des états excités par un gap d’énergie fini. Un champ magnétique extérieur peut fermer ce gap : la chaîne entre alors dans une phase TLL ou, à plus basse température, dans une phase BEC lorsque les couplages 3D deviennent pertinents. Tester ce scénario s’est révélé difficile, car les composés de Haldane connus sont soit trop anisotropes, soit caractérisés par des champs critiques hors de portée.
L’équipe a étudié le composé BoNO, un cristal quasi isotrope constitué de molécules organiques magnétiques, dont les champs critiques sont accessibles. Grâce à la RMN du proton sous des champs allant jusqu’à 34 Tesla et à des températures descendant jusqu’à 460 mK, complétée par des mesures de magnétostriction, les chercheurs ont cartographié l’intégralité du diagramme de phases champ-température. Le volet théorique, mené à Toulouse, a combiné des calculs de Monte-Carlo quantique et de groupe de renormalisation de la matrice densité (DMRG). Les principaux résultats sont les suivants :
- La frontière de phase BEC-TLL est entièrement déterminée, et le Monte-Carlo quantique en reproduit la forme.
- Près du champ critique supérieur, le comportement critique suit la loi prédite, avec un exposant ν = 2/3, ainsi qu’une loi d’échelle universelle pour les quasi-particules.
- La phase TLL présente des interactions attractives entre excitations, longtemps recherchées dans une chaîne de Haldane.
Ces résultats valident des prédictions théoriques vieilles de plus de vingt ans et font de BoNO un système modèle pour l’étude des phases quantiques induites par un champ magnétique.
Référence et liens : I. Jakovac, M. S. Grbić, M. Dupont, N. Laflorencie, S. Capponi, Y. Hosokoshi, S. Krämer, Y. Skourski, S. Luther, M. Takigawa, M. Horvatić, Magnetic-Field-Induced Tomonaga-Luttinger Liquid and Bose-Einstein Condensate Phases in an Organic S=1 Haldane Chain, Phys. Rev. Lett. 137, 136702 (2026).
- Article PRL : https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/89k5-p261
- Couverture PRL : https://journals.aps.org/prl/covers/137/13
- Synopsis Physics (« Realizing a Spin Chain ») : https://physics.aps.org/articles/v19/s121
- Lien arXiv : https://arxiv.org/abs/2601.10489