Les scientifiques ont travaillé pendant 10 mois sur un minuscule cristal issu d'un minerai rare. et démontré pour la première fois un état magnétique appellé QSL (quantum spin liquid). Les théoriciens connaissaient le QSL, mais n'avaient jamais réussi à prouver son existence. Pour démontrer cet état magnétique, l'équipe a dû créer un cristal pur de herbertsmithite, un minéral qui a été découvert dans le désert d'Atacama au Chili et ainsi nommé en référence au minéralogiste Herbert Smith. Les chercheurs ont élaboré leur propre technique pour le faire chauffer et refroidir, afin de travailler la pierre pour obtenir des cristaux d'une épaisseur ne dépassant pas un centimètre de diamètre. La technique utilisée a été la diffusion de neutrons en refroidissant le cristal à zéro Kelvin, soit plusieurs centaines de degrés en dessous de zéro.

Les deux autres formes connues de magnétisme sont déjà largement utilisés. Le ferromagnétisme qui donne son effet aux aiguilles de la boussole ou permet aux magnets de coller sur un réfrigérateur. Dans ce type d'aimant, le « moment magnétique » ou la direction du magnétisme de tous les atomes à l'intérieur est la même. Pour l'antiferromagnétisme, les atomes à l'intérieur ont chacun des moments magnétiques opposés qui s'annulent. Cela permet d'ordonner les atomes et cet effet est utilisé dans les matériaux ajoutés au disque dur pour les rendre plus fiables.

Dans le cristal des chercheurs du MIT, chaque particule modifie constamment son moment magnétique. Les directions magnétiques des atomes ne sont donc jamais alignées sur celles de son voisin et elles ne s'annulent pas entre elles. Si cet état découvert est appelé Quantum Spin Liquid, il s'agit juste d'une analogie. Le cristal demeure un matériel solide. Pour Young Lee, « si les moments magnétiques ne se contrôlent pas et qu'ils sont fluctuant les uns par rapport aux autres, alors nous les qualifions de liquide ».

Un phénomène avec des implications pour l'informatique quantique

Le professeur Young Lee, professeur au MIT et pilote du projet, ainsi que ses collègues n'avaient pas à l'esprit d'implications sur l'IT de leur découverte. Mais en étudiant le fonctionnement du QSL, ils ont observé un phénomène baptisé « long-range entanglement », un enchevêtrement à longue portée. Deux atomes très éloignés peuvent affecter instantanément les moments magnétiques des uns et des autres. Cet effet pourrait contribuer au développement de l'informatique quantique qui utilise un « qubit », basé sur l'état quantique d'une particule atomique pour représenter chaque bit d'information. Les impuretés dans les matériaux autour d'un Qubit peuvent l'amener à modifier son état quantique de manière inattendue, estime Young Lee. Il ajoute qu'« il y a des questions pour améliorer l'état quantique sur des durées assez longues, sans qu'il y est une déstructuration. Le nouvel état de magnétisme avec le phénomène d'enchevêtrement longue portée constitue une réponse très robuste pour cela. »

Le chercheur estime qu'au-delà des avancées pour le stockage ou pour le calcul, le « long range entanglement » pourrait bénéficier aux télécommunications. En effet, un matériel QSL peut se transformer en supraconducteur et améliorer le transport du signal électrique. Pour autant, le chercheur reste pragmatique et indique que les applications de cette découverte sont embryonnaires