Effets quantiques mésoscopiques d'ions de terres rares faiblement couplés

par Romain Giraud

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bernard Barbara.

Soutenue en 2002

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .

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  • Résumé

    Quel peut-être l'apport des ions de terres rares fortement dilués au magnétisme. Mésoscopique ? Ce travail décrit l'origine d'une dynamique quantique lente du renversement du moment magnétique d'un ion Ho3+, en présence d'une forte an isotropie uniaxiale (effet tunnel de l'aimantation). Dans un monocristal LiYF4, les mécanismes de relaxation paramagnétique dus aux couplages spin-phonons et spins-spins sont inefficaces à très basse température (T <200 mK), et l'allure singulière des cycles d'hystérésis observés à faible vitesse de balayage du champ appliqué, en marches d'escalier, révèle un effet de mécanique quantique non stationnaire. Ces transitions non adiabatiques correspondent au retournement cohérent du moment électronique et du spin nucléaire d'un ion Ho3+ quasi-isolé (couplage hyperfin fort). La dynamique quantique d'un centre tunnel est cependant rendue incohérente par de faibles couplages à l'environnement de spins nucléaires, ceux des ions diamagnétiques de la matrice d'accueil non magnétique. De plus, en présence d'un phénomène dit de goulot d'étranglement des phonons, l'allure des cycles est fortement modifiée à plus grande vitesse de balayage du champ. Des sauts supplémentaires, attribués à une dynamique quantique multi-spins (relaxations croisées), apparaissent pour d'autres champs résonants. Une interprétation à deux ions démontre que les transitions de co-tunnel à deux spins et les transitions tunnel décalées par les interactions dipolaires dominent la relaxation dans ce régime. Les ions dilués de terres rares constituent non seulement une alternative aux aimants moléculaires pour une compréhension plus approfondie du magnétisme mésoscopique, mais permettent aussi d'envisager sérieusement l'étude des phénomènes de dissipation/d écohérence.


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  • Titre traduit

    Mesoscopic quantum behavior of diluted rare-earth compounds


  • Résumé

    In a weakly Ho3+-doped non magnetic single-crystal, namely LiYF4, the usual spinlattice (T1) and spin-spin (T2) relaxation times may be much longer than the experimental time window at very low temperature. Below T = 200 mK, staircase-like hysteresis loops are observed at slow field-sweep rates, showing that quantum tunneling of the magnetic moment occurs at resonant applied fields. This mesoscopic behavior is reminiscent of low-frequency quantum fluctuations at avoided level crossings in the electro-nuclear Zeeman diagram of a nearly-isolated single-ion (strong hyperfine coupling). The dynamics is associated with the coherent rotation of the rare-earth electronic momentum and nuclear spin, although the whole process is incoherent due to weak hyperfine couplings related to diamagnetic near-neighbors (the nuclear spins bath). Because of a phonon-bottleneck regime, hysteresis loops are strongly modified at faster field-sweep rates, leading to additional magnetization steps due to spin-spin cross-relaxation processes. Based on a two-ions representation, it is shown that twospins co-tunneling and dipolar biased-tunneling events now dominate the relaxation of the magnetization. In addition to molecular magnets, the quantum tunneling of the magnetic moment can now be investigated in details in diluted rare-earth compounds showing a large uniaxial anisotropy. Moreover, such crystals may become very suitable systems to study dissipative and decoherent phenomena in the framework of mesoscopic magnetism.

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Informations

  • Détails : 199 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 183-199

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : TS02/GRE1/0146
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS02/GRE1/0146/D
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