Sonder les propriétés exotiques de la matière à partir de réseaux bidimensionnels non-magnétiques de molécules

Probing exotic, magnetic states of matter using nonmagnetic two-dimensional molecular lattices

• Auteur / Autrice : Maria Alfonso Moro
• Direction : Johann Coraux, Nicolas Rougemaille, Benjamin Canals
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Simonet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Schull, Vincent Renard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Mila, André Thiaville

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ising, Modèle d'

Champs magnétiques (physique spatiale)

Magnétisme

Mots clés libres

Magnétisme

Molécules

Modèles d'Ising

Molecules

Magnetism

Ising models

Résumé

L’apparition de formes de désordre sur des arrangements de la matière par ailleurs ordonnés est un sujet de recherche actif en physique de la matière condensée. Ce thème est notamment au cœur des préoccupations de communautés explorant des phénomènes de frustration magnétique, c'est à dire dans des situations où les constituants individuels du système ne peuvent minimiser simultanément toutes les interactions auxquelles ils sont soumis de la part des autres constituants. Dans ces situations, des propriétés inhabituelles sont susceptibles de se manifester :- l’entropie ne tend pas nécessairement vers zéro à l’approche du zéro absolu (ce qui contredit le troisième principe de la thermodynamique tel qu’il est souvent enseigné),- de façon contre-intuitive, le désordre peut se caractériser par une longueur de corrélation infinie, comme dans un système ordonné,- parfois, l’état désordonné accueille des excitations qui se comportent comme des analogues classiques de monopoles magnétiques (c’est à dire, des quasi-particules dont l’existence est interdite par les équations de Maxwell).Ces comportements exotiques ne sont pas cantonnés à des systèmes magnétiques. Historiquement, le premier exemple fut d’ailleurs donné par la glace d'eau, où les atomes d’oxygène forment un cristal alors que les atomes d’hydrogène peuvent se lier aux oxygènes de deux manières distinctes. Il en résulte un très grand nombre de configurations possibles, chacune avec une distribution différente des atomes d’hydrogène. En d’autres termes, l'état fondamental d'une telle phase est massivement dégénéré et son entropie est non nulle à 0 K.Dans ce manuscrit, nous étudions un système non magnétique bi-dimensionnel et démontrons qu’il se comporte comme un réseau magnétique frustré. Notre système d’étude est constitué de molécules de fullerène (C60) déposées en assemblées sur une surface atomiquement plane de cuivre. Dans certaines conditions, ces assemblées moléculaires présentent un désordre qui prend la forme d'une corrugation très particulière. Partant de ces observations, nous élaborons une analogie entre un degré de liberté structural des fullerènes (leur hauteur dans leurs assemblées corruguées) et une variable Ising. Au moyen d’une analyse statistique empruntée à l’étude du magnétisme frustré, nous parvenons à décrire quantitativement nos assemblées de molécules avec des Hamiltoniens de spins Ising frustrés. Notre méthodologie s’avère adaptée pour explorer une variété d’autres systèmes sur surfaces, par exemple d’autres assemblées de molécules et des alliages binaires bi-dimensionnels, du point de vue de la frustration magnétique (et ce, malgré l’absence de magnétisme dans ces systèmes).En outre, nous dévoilons les détails atomiques de la liaison C60 / cuivre. En particulier, nous posons les bases conceptuelles d’un cadre de description des arrangements moléculaires ordonnés et désordonnés qui, étonnamment, coexistent. Nous combinons pour cela des expériences par microscopie à balayage de haute résolution et des calculs ab initio, et ainsi résolvons la structure des différentes phases moléculaires, en caractérisant l’ensemble des degrés de liberté (hauteur, orientation, position latérale de chaque molécule). Nous introduisons un modèle traitant les interactions en compétition dans le système, qui nous permet de prédire les structures observées et leur stabilité relative. Avec ce modèle, nous déduisons un paysage en énergie riche, comprenant plusieurs phases métastables, et l’appliquons à d’autres interfaces C60/métal.

The fact that disorder can appear on top of ordered arrangements of matter is a lively research topic in condensed matter physics. It is for instance actively studied in communities exploring magnetic frustration phenomena. Frustration arises in a system when its individual constituents cannot minimize simultaneously all the interactions they experience from the other constituents. As a result, unusual properties may arise:- entropy does not always tend to zero when temperature approaches absolute zero (thus contradicting the third law of thermodynamics at it is often taught),- counter-intuitively, disorder can exhibit infinite correlation length, like in ordered systems,- sometimes, excitations living on top of disordered states behave as analogues of magnetic monopoles (particles that are forbidden from Maxwell equations).These exotic behaviors do not exclusively emerge in magnetic systems. The first experimental example of frustration was actually water ice, in which oxygen atoms form a crystal, whereas hydrogen atoms do not have a unique way to bond to oxygen. In fact, there is great number of possible configurations to distribute the hydrogen atoms around the oxygens, leading to a highly-degenerate phase with a nonzero, extensive entropy at 0K.In this thesis, we study a two-dimensional, non-magnetic structural system and demonstrate that it behaves as a frustrated magnet. The experimental system we focus on consists of assemblies of C60 molecules deposited on an atomically flat copper surface. In certain conditions, the C60 assembly is disordered and develops an unusual corrugation. Based on this observation, we build an analogy between the molecular structural degree of freedom (the molecular height in the corrugated arrangement) and an Ising variable. Thanks to a statistical analysis initially developed in frustrated magnetism, we are able to quantitatively demonstrate our C60 assemblies can be described with frustrated Ising spin Hamiltonians. Our methodology is in fact well-suited to explore a variety of other on-surface systems, such as organic molecules on metal surfaces and two-dimensional binary alloys, under the point of view of magnetic frustration (despite the fact that magnetism is totally absent in these systems).Besides, we unveil the atomic-scale details of the way C60 molecules bond to the copper surface. In particular, we develop a conceptual framework to describe other ordered and disordered C60 arrangements that are found to (surprisingly) coexist. We combine experimental high-resolution scanning probe microscopy and ab initio calculations to resolve the structure of these distinct molecular phases, finely characterizing several degrees of freedom (height, orientation and lateral position of the molecules). We introduce a competing-interaction model predicting the observed structures and their relative stability. From this model, we derive a rich energy landscape featuring several metastable phases and generalize its applicability to other C60/metal interfaces.