L’étude de la frustration magnétique (ou frustration dans les systèmes magnétiques) remonte au problème géométrique qui survient lorsque l’on tente de placer trois spins avec des interactions antiferromagnétiques sur un triangle. L’interaction entre atomes voisins favorise un alignement antiparallèle entre deux spins adjacents, une condition qu’il est impossible de remplir. Par conséquent, malgré l’interaction, les spins demeurent dans un état fluctuant jusqu’aux températures les plus basses. L’exemple le plus connu d’un tel système est l’état dit de glace de spin (spin-ice) pour des atomes magnétiques situés sur les sommets de tétraèdres partagés dans la structure pyrochlore.

Ces types de systèmes ont suscité beaucoup d’attention lorsqu’on s’est rendu compte qu’ils présentaient une importante entropie résiduelle à température nulle. Cette entropie est le résultat des nombreuses orientations de spins possibles autorisées sur un tel réseau : pour satisfaire les interactions antiferromagnétiques, deux spins doivent pointer vers l’intérieur du tétraèdre et deux spins doivent pointer vers l’extérieur.

Ce problème correspond exactement à celui de la position des atomes d’hydrogène par rapport à l’oxygène dans la phase cubique de la glace d’eau (H₂O), d’où le nom de glace de spin.

La glace de spin est un exemple d’un tel système magnétique, où les fluctuations empêchent l’établissement d’un ordre à longue portée associé à une rupture de symétrie, même au zéro absolu. Les systèmes dans lesquels les fluctuations mécaniques quantiques empêchent cet ordre sont appelés liquides de spins quantiques (QSL, pour quantum spin liquids). La distinction caractéristique entre les QSL et les liquides ordinaires réside dans le fait que les fluctuations dans les QSL présentent des dépendances en loi de puissance à longue portée, tandis que dans les liquides ordinaires, les corrélations ont une longueur de corrélation courte qui décroît de manière exponentielle. Par conséquent, les spins dans un QSL sont quantiquement intriqués sur de longues distances. Ce qui rend l’étude de ces systèmes si intéressante, c’est qu’ils nous offrent la possibilité de rechercher de nouveaux états fondamentaux de la mécanique quantique, dotés de nouvelles statistiques quantiques.