Fragmentation quantique dans les systèmes magnétiques frustrés

Quantum fragmentation in frustrated magnetic systems

• Auteur / Autrice : Mélanie Léger
• Direction : Elsa Lhotel, Sylvain Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• 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 : Nicolas Rougemaille
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic D.C. Jaubert, Grégory Chaboussant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Pautrat, Fabienne Duc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frustration (physique)

Magnétisme

Neutrons -- Diffusion

Mots clés libres

Diffusion neutronique

Basses températures

Frustration

Neutron scattering

Low temperature

Frustration

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons au magnétisme frustré. La frustration est en effet capable d'induire une physique très riche, avec des phénomènes originaux et en particulier la stabilisation de nouveaux états fondamentaux. Nous nous intéressons plus spécifiquement à des composés de structure pyrochlore (construits sur la base de tétraèdres connectés par leurs sommets). Les ions magnétiques sont ici des ions de terre rare et se situent aux sommets de ces tétraèdres.Dans ce contexte, le composé Nd2Zr2O7 présente un attrait particulier. Malgré des interactions ferromagnétiques qui devraient stabiliser un état de glace de spins, c'est un ordre antiferromagnétique partiel qui est stabilisé. Cet ordre se nomme "all in all out", où tous les spins sont entrants ou sortants d'un tétraèdre à l'autre. De plus, la mesure des excitations montre la coexistence d'un mode plat à énergie non nulle et caractérisé par des corrélations de type glace de spins, avec des modes dispersifs situés à plus haute énergie. Le cadre théorique, susceptible d'expliquer cette distinction entre modes (et plus généralement la physique du composé Nd2Zr2O7) est celui de la "fragmentation dynamique''.Afin de mieux comprendre ce phénomène, il est intéressant de regarder les effets qu’un défaut pourrait produire. Dans le cadre de ma thèse, j’étudie l’influence de différentes substitutions : titane à la place de zirconium et lanthane à la place du néodyme. Le but de cette thèse est donc d'examiner l'évolution des paramètres d'échanges dans ces différents systèmes ainsi que l'évolution des propriétés de champ cristallin associés aux modifications de l'environnement de l'ion Nd3+. Nous cherchons également à comprendre l'évolution de la fragmentation dynamique et de l'état fondamental, tout ceci au travers, d'une part, de la construction de diagrammes de phase en champ et température et d'autre part, de l'étude des excitations magnétiques.Cette étude a été menée aux moyens de mesures d'aimantation et de diffusion neutronique à très basse température (<100 mK) ainsi que d'analyses numériques permettant de comparer les résultats expérimentaux aux modèles théoriques.

In this thesis, we are interested in frustrated magnetism. Frustration is indeed able to induce a very rich physics, with original phenomena and in particular the stabilization of new ground states. We are more specifically interested in compounds with a pyrochlore structure (built on the basis of tetrahedra connected by their vertices). Magnetic ions are rare earth ions and are located at the vertices of these tetrahedra.In this context, the compound Nd2Zr2O7 has aroused a particular attention. In spite of ferromagnetic interactions which should stabilize a spin ice state, a partial antiferromagnetic order is stabilized. This order is called "all in all out'', as all spins point into or out of a given tetrahedron. Moreover, measurements of the excitations show the coexistence of a flat mode at non-zero energy and characterized by spin ice correlations, with dispersive modes located at higher energy. The theoretical framework, likely to explain this distinction between modes (and more generally the physics of the compound Nd2Zr2O7) is that of the "dynamical fragmentation''.In order to better understand this phenomenon, it is interesting to investigate the effects induced by the presence of defects. In my thesis, I study the impact of two different substitutions: titanium instead of zirconium and lanthanum instead of neodymium. The goal of this thesis is to examine the evolution of the exchange parameters in these different systems as well as the evolution of the crystal field properties asscoiated with the modification of the environment of the Nd3+ ion. We also seek to understand the evolution of the dynamical fragmentation as well as of the ground state, through on the one hand, the construction of field and temperature phase diagrams and, on the other hand, the study of magnetic excitations.This study was carried out by means of magnetization and neutron scattering measurements at very low temperature (<100 mK) as well as numerical analyses allowing to compare the experimental results with theoretical models.