​Comme les molécules d'eau dans la glace, les matériaux constituant les glaces de spin sont organisés en réseaux de tétraèdres connectés par leurs sommets. Chaque nœud est occupé par un ion de terre rare magnétique (terbium, dysprosium, praséodyme, etc.). Cette structure particulière est à l'origine d'une propriété étonnante : ces matériaux possèdent potentiellement une infinité d'états stables (d'énergie minimale) !

Or des physiciens ont relevé une analogie formelle entre l'équation décrivant l'état magnétique du système – l'orientation des spins, fonction de leur interaction – et l'équation fondamentale de l'électrodynamique quantique. Ils en ont déduit l'existence d'un spectre d'excitation magnétique de la glace de spin, jusque-là insoupçonné. Pour le mettre en évidence, ils ont sélectionné un matériau contenant un ion magnétique dont l'orientation du spin est extrêmement sensible à d'infimes contraintes induites par des défauts cristallins, comme la substitution d'un ion par un autre. Leur choix s'est porté sur l'ion praséodyme Pr³⁺, au sein du composé Pr₂Zr₂O₇.

L'étude de ce composé par diffusion de neutrons polarisés montre un taux de défauts cristallins induits par le désordre chimique de l'ordre de 0,001. Les contraintes associées à ces défauts peuvent être évaluées, ainsi que leur impact sur les fluctuations d'orientation du spin des ions Pr³⁺. En parallèle, le spectre de fluctuations magnétiques associé à ce désordre est observé à partir des spectres de diffusion inélastique de neutrons. Les mesures concordent parfaitement avec les prédictions du modèle.

Cette correspondance remarquable entre théorie et expérience valide le lien établi entre désordre chimique et dynamique de spin et ouvre la voie à des cristallogenèses sur-mesure de glaces de spin dopées aux propriétés quantiques ciblées.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le Laboratoire Léon-Brillouin (Iramis), à Saclay, l'Institut Néel (CNRS, Université Grenoble Alpes), l'Institut Laue-Langevin (Grenoble), l'Université Paris-Sud et l'Université de Warwick (Grande-Bretagne).