Nouveaux états quantiques induits sous champs dans des systèmes magnétiques frustrés

par Brendan Le Pennec

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Fabrice Bert et de Edwin Kermarrec.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Solides (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les aimants quantiques géométriquement frustrés (spin-1/2) donnent des nouveaux états fondamentaux quantiques intéressants et font émerger de nouveaux phénomènes en magnétisme. Ces derniers émergent grâce à l'incompatibilité entre l'ordre de spin à longue portée et les réseaux de spins sous-jacents s'opposant à cet ordre à longue portée des spins. Cette compétition entre les interactions mène à de nouveaux états non conventionnels désordonnés de la matière, pourtant très intriqués. A une dimension, une attention spéciale à été portée récemment sur les chaines de spins frustrés, possédant une interaction ferromagnétique proche-voisin (J1) et une interaction antiferromagnétique second-voisins (J2), dans lesquelles une phase nématique de spin a été prédite au-dessus de 70% du champ de saturation du système. Cette phase brise la symétrie de rotation O(3) mais ne possède pas de moment magnétique. Elle est gouvernée par un tenseur de spin appelé tenseur de haut rang de phase multipolaire, le quadrupolaire étant le plus simple. Des indices sur la possibilité d'entrevoir cet état ont été proposés dans certains composés et nous proposons de confirmer son existence dans les chaines de spins J1-J2 LiCuSbO4 ou PbCuSO4(OH)2 dans lesquels les champs de saturation sont en-dessous de 14T, champs magnétiques atteignables dans notre laboratoire. A deux dimensions, le réseau lui-même peut produire de la frustration magnétique. L'exemple emblématique est le réseau kagome S=1/2 antiferromagnétique - un réseau de triangles équilatéraux de spins quantiques couplés antiferromagnétiquement - qui est apparu comme principal candidat hôte d'un état fondamental de liquide de spin quantique (QSL). Récemment, la Zn-barlowite, ZnCu3(OH)6FBr, a été proposée comme nouveau matériau important dans lequel explorer ce modèle. Une première étude RMN de ce composé a montré un signe initial sur la formation d'un liquide de spin gappé, où le gap de spin est progressivement détruit lorsque le champ magnétique augmente. Ce résultat est à la fois surprenant et excitant dans un contexte où, malgré les nombreux débats actuels, tous les candidats expérimentaux à un liquide de spin possédant un réseau kagome semblent jusqu'ici être non gappé. Un premier problème soulevé par ce matériau est la nature de la phase qui se stabilise lorsque le gap se ferme. Nous proposons de rechercher l'effet d'un champ magnétique extérieur dans ce genre de nouveaux composés frustrés en utilisant l'état de l'art de notre dispositif RMN pour des mesures thermodynamiques basses températures en complément avec des mesures de relaxation de spin de muons disponibles dans des grands instruments.

  • Titre traduit

    Field-induced unconventional quantum states in frustrated magnets


  • Résumé

    Geometrically frustrated quantum (spin-1/2) magnets provide fertile grounds for the emergence of novel fundamental phenomena in magnetism. These arise as a consequence of incompatible short-range spin interactions and underlying spin lattices, effectively suppressing long-range spin ordering and leading to unconventional states of matter that are disordered, yet highly entangled. In one dimension, special attention was given recently to frustrated quantum spin chains with ferromagnetic nearest-neighbor (J1) and antiferromagnetic next nearest-neighbor (J2) exchange interactions, where a spin-nematic phase is predicted for magnetic fields above ~70% of the saturation magnetization. Such a spin-nematic phase breaks O(3) spin symmetry but does not possess any magnetic moment.It is governed by spin tensor parameters hence named higher rank multipolar-driven phase,the quadrupolar being the simplest.Indications of such a state have been recently provided in some compounds and we propose to experimentally confirm its existence in the J1-J2 spin-chains compounds LiCuSbO4 or PbCuSO4(OH)2 for which the saturation fields are below 14T, reachable with our lab setups. In two dimension, the lattice itself can produce magnetic frustration. The emblematic example is the S = ½ kagome antiferromagnet–a network of equilateral triangles of antiferromagnetically coupled quantum spins–which has emerged as a prime candidate to host a quantum spin liquid (QSL)ground state. Recently, Zn-barlowite, ZnCu3(OH)6FBr, has been pointed out as a new mother compound in which to explore this model. A first NMR study of ZnCu3(OH)6FBr found initial evidence for the formation of a gapped quantum spin liquid state where the spin-gap is gradually suppressed by increasing the applied magnetic field. This result is rather surprising and exciting in a context where, despite still active debates, all the experimental spin liquid candidates with a kagome lattice seem so far to be gapless. One little explored issue raised by this material is the nature of the phase which is stabilized when the gap closes. We propose to investigate the effect of the external magnetic field in such novel frustrated compounds using our state of the art NMR setups together with low temperature thermodynamic measurements and complementary muon spin relaxation technique available at large scale facilities.