La diffusion inélastique résonante de rayons X sur systèmes corrélés induit par l'interaction spin-orbite : applications scientifiques et développements instrumentaux

par Matteo Rossi

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Nicholas Brookes, Marco Moretti et de Michaël Krisch.

Soutenue le 14-12-2017

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec European synchrotron radiation facility (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Isnard.

Le jury était composé de Matthieu Le Tacon, Virginie Simonet.

Les rapporteurs étaient Christian Rüegg, Sergio Di Matteo.


  • Résumé

    Les oxydes d’iridium (iridates) ont attiré particulière attention au cours de la dernière décennie grâce à l’identification d’un état isolant de Mott induit par l’action conjointe du champ cristallin, de la corrélation électronique et du couplage spin-orbite. Cet état a été intensément investigué et des phases et excitations nouvelles ont été prédites théoriquement et aussi individuées expérimentalement. Sans doute, la diffusion inélastique résonante de rayons X (RIXS) est l’une des techniques les plus adoptée pour mesurer les excitations à basse énergie des iridates. En effet, la section efficace relativement large de la spectroscopie RIXS au seuil L3 de l’iridium et la bonne résolution en énergie ont encouragé l’emploi de cette technique. Cette thèse se pose un double objectif : concevoir des développements instrumentaux ayant pour but d’améliorer les possibilités offertes par la spectroscopie RIXS, et appliquer le RIXS afin d’étudier la physique à basse énergie de certains iridates.Le principal projet de développement instrumental est un nouveau spectromètre RIXS avec résolution en polarisation. L’analyse de la polarisation des rayons X diffusés permet d’obtenir des informations sur la symétrie et donc la nature des excitations. Cependant, elle est peu employée à cause de problèmes techniques qui naissent quand l’on veut préserver aussi la résolution en énergie et l’efficience du spectromètre. Même si le polarimètre RIXS projeté n’est pas encore disponible, le schéma optique a été vérifié et validé. Le polarimètre aura une résolution en énergie et une efficience équivalentes à celles des spectromètres RIXS courants. Le second développement technique comprend l’équipement permettant de réaliser des mesures RIXS à basse température et haute pression. Ces équipements ont permis d’investiguer l’évolution en pression des excitations magnétique du composé Sr3Ir2O7 en dessous de la température de Néel et jusqu’au 12 GPa. Les mesures peuvent aider l’affinage des modèles magnétiques courants pour ce système. Ces mesures démontrent que les excitations magnétiques peuvent être acquises en haute pression par la spectroscopie RIXS, démontrant ainsi la possible utilisation de cette technique dans ce nouveau domaine.Cette thèse comprend aussi des ultérieurs travails expérimentaux. Le premier considère le composé CaIrO3, dont la structure cristalline est constituée par des octaèdres partageant un sommet et une arête dans deux directions orthogonales. Du coup, les interactions magnétiques sont très différentes selon la direction cristallographique. Spécifiquement, la suppression du couplage de type Heisenberg dans la direction où les octaèdres partagent une arête produit des interactions magnétiques principalement unidimensionnelles. La caractéristique de ceux-ci est la présence d’un continuum d’excitations avec une dépendance en énergie et quantité de mouvement typique, qui a été révélé par la spectroscopie RIXS. Les excitations électroniques de CaIrO3 ont aussi des caractéristiques propres. Enfin, j’ai étudié les propriétés électroniques du composé Rb2[IrF6]. Des calculs récents proposaient que ce système possède un état d’isolant de Mott similairement aux oxydes d’iridium. Les mesures RIXS ont aidé à éclairer les propriétés électroniques de ce composé. La solidité des propriétés électroniques a été vérifiée par rapport à la substitution du métal alcalin ou de l’halogène, et à l’application de pression.Cette thèse accroit l’importance de l’utilisation de la spectroscopie RIXS dans des domaines qui étaient précédemment inexplorés. L’analyse de la polarisation des rayons X diffusés sera avantageuse dans les cas où la nature des excitations ne peut être établie sans ambiguïté. L’équipement développé pour réaliser les mesures RIXS en conditions extrêmes permet d’étudier la dynamique électronique et magnétique dans des phases de la matière inaccessibles jusqu’à aujourd’hui.

  • Titre traduit

    Resonant inelastic X-ray scattering on spin-orbit-induced correlated-electron systems : scientific applications and instrumental developments


  • Résumé

    Iridium oxides (iridates) have raised notable attention in the last decade due to the identification of a Mott insulating state realized by the joint action of crystal field, electron correlation, and spin-orbit coupling. Such state has been intensively investigated and novel quantum phases and excitations have been theoretically predicted and experimentally found. Undoubtedly, one of the most employed techniques to elucidate the low-energy physics of iridates is resonant inelastic X-ray scattering (RIXS). At the iridium L3 edge, it benefits from a particularly good energy resolution, which matches the energy scales of the relevant excitations, and from a favorable inelastic cross-section. The aim of the present thesis is twofold: conceive challenging instrumental upgrades that contribute to the advancement of the technique itself, and apply RIXS to inspect the magnetic and electronic properties of selected iridates.The main instrumental development concerns the design of a new RIXS spectrometer with polarization resolution. Polarization analysis of the scattered X-rays provides useful information about the symmetry and thus the nature of an excitation. However, it is rather unexploited because of severe technical challenges when energy resolution and efficiency must be preserved. The designed RIXS spectrometer with polarization analysis capabilities is still under construction, however the optical scheme has been validated by preliminary tests. Full polarization analysis is expected without degradation of energy resolution or efficiency with respect to current state-of-the-art RIXS spectrometers. Additional technical developments include sample-environment equipment to perform RIXS experiments in low-temperature and high-pressure conditions. The equipment has been successfully utilized to investigate the magnetic dynamics of the bilayer-perovskite Sr3Ir2O7 below its Néel temperature and up to 12 GPa. Our measurements provide additional observations that may sharpen the challenge to theoretical understanding of the magnetic dynamics of this material. Moreover, we demonstrate for the first time that RIXS experiments of the magnetic dynamics can be extended to unexplored thermodynamic conditions.Besides instrumental advances, additional experimental work has been carried out in order to study the magnetic and electronic excitations of the post-perovskite CaIrO3. Owing to its peculiar crystal structure, featuring both edge- and corner-sharing octahedra, the magnetic interactions of CaIrO3 are very different along orthogonal directions. In particular, the inhibition of the Heisenberg coupling along the edge-sharing direction induces one-dimensional magnetic behavior with characteristic fractional spinon-like excitations, which have been detected by RIXS. Electronic excitations are also found to have particular properties. Finally, I have focused on the electronic structure of Rb2[IrF6], which was theoretically predicted to realize a Mott insulating state similar to the one of iridium oxides. RIXS measurements helped to elucidate the electronic properties of this compound. The robustness of the electronic state has been tested against substitutions of the alkali metal and halogen, and application of physical pressure.The present work extends the potential of the RIXS technique to domains previously unexplored, i.e. polarization analysis of the scattered X-rays and high-pressure low-temperature experiments. I hope that the instrumental upgrades and applications of RIXS discussed in this thesis will further promote the technique as a powerful and reliable tool to characterize elementary excitations in correlated-electron systems.


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