Magnétisme frustré sur le réseau kagome anisotrope : une étude par sondes locales dans les composés Y-kapellasite

Frustrated magnetism on the anisotropic kagome lattice : a local probe study of Y-kapellasite compounds

• Auteur / Autrice : Dipranjan Chatterjee
• Direction : Fabrice Bert, Philippe Mendels, Edwin Kermarrec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Paul Scherrer Institut (Villigen, Suisse) - Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble) - Laboratoire national des champs magnétiques intenses (Grenoble ; Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anuradha Jagannathan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie de Brion, Martin Klanjšek, Johannes Reuther, Stephen Blundell
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie de Brion, Martin Klanjšek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme nucléaire

Rotation de spin du muon

Résonance magnétique nucléaire

Frustration (physique)

Mots clés libres

Frustration magnétique

Techniques spectroscopiques locales

Liquide de spins

Résonance magnétique nucléaire (RMN)

Magnetic frustration

Local spectroscopic techniques

Spin liquids

Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

Résumé

Le réseau kagome, avec son arrangement bidimensionnel de triangles à sommets partagés, est un exemple classique où la frustration joue un rôle central dans l'émergence de phases magnétiques originales. En particulier, le hamiltonien antiferromagnétique de Heisenberg pour des spins S=1/2 sur un réseau kagome parfait conduit à la stabilisation d'états quantiques exotiques, y compris les très recherchés liquides de spin, qui ne présentent aucune brisure de symétrie même au zero absolu (T = 0 K). La quête de matériaux capables de réaliser de tels états quantiques a récemment conduit à la découverte d'une nouvelle famille de composés kagome. Ces composés résultent de la substitution des ions Zn²⁺ par Y³⁺ dans le candidat liquide de spin archétype herbertsmithite ZnCu(OH)₆Cl₂. Le but initial était de doper en charge un liquide quantique de spin sans gap. Bien que le dopage ne fonctionne pas, les nouveaux matériaux isolants obtenus, YCu3(OH)₆₊ₓX₃₋ₓ (X=Cl, Br et x= 0 ou 1/3), appelés Y-kapellasite, sont des composés frustrés intéressants avec des couches kagome bien isolées et aucune dilution significative du réseau magnétique. Dans ce travail expérimental, nous présentons une étude détaillée des composés x=1/3, chlorés (Y₃Cu₉(OH)₁₉Cl₈) et bromés (Y₃Cu₉(OH)₁₉Br₈). Ils matérialisent un réseau kagome anisotrope original avec trois interactions premier-voisins différentes. Le modèle théorique correspondant présente un diagramme de phase classique riche englobant une phase liquide de spin exotique et des ordres à longue portée. Après une introduction générale à la physique de la frustration magnétique et aux techniques utilisées, cette thèse comprend deux parties expérimentales. La première partie porte sur l'étude de monocristaux purs de (Y₃Cu₉(OH)₁₉Cl₈), obtenus par une méthode de croissance hydrothermale à gradient externe, par des techniques locales μSR et RMN, ainsi que des mesures thermodynamiques et de diffusion de neutrons. Contrairement aux études précédentes sur des échantillons en poudre, cette étude de monocristaux donne des preuves d'instabilités structurales subtiles à 33 K et 13 K qui préservent la symétrie globale du système, donc le modèle magnétique, et que nous avons attribuées à la localisation de l'un des hydrogènes. De plus, nos résultats mettent en évidence une transition magnétique à 2.1 K en bon accord avec la prédiction théorique d'un ordre à longue portée (1/3,1/3). Cependant, notre analyse des excitations d’ondes de spin donne des interactions magnétiques qui situe le composé très près de la phase liquide classique. Probablement en raison de fortes fluctuations quantiques à cette limite, le moment ordonné des Cu²⁺est fortement réduit, non détecté par diffraction de neutrons, mais révélé par μSR et RMN. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons à la variante au brome (Br) du système, introduisant ainsi une pression chimique en substituant un atome plus grand dans le but d'explorer le diagramme de phase magnétique. En utilisant, comme pour le cas du chlore, des techniques thermodynamiques et locales sur une collection de petits monocristaux alignés selon l’axe c, nous avons identifié une transition structurale à environ 15 K tandis qu'une transition magnétique autour de 9 K a été attribuée à une phase d'impureté. Le système présente un gel de spin inhomogène surprenant, correspondant à un état fondamental partiellement ordonné en dessous de 2.5 K. Le gel partiel rappelle l'absence d'ordre magnétique dans les échantillons en poudre de la variante au chlore, contrairement aux monocristaux, et met en évidence la fragilité de l'état fondamental vis-à-vis du désordre probablement en raison de sa proximité avec une phase de liquide de spin.

The kagome lattice, with its two dimensional arrangement of corner-sharing triangles is a classic example where frustration plays a central role in the emergence of intriguing magnetic phases. Noticeably, the S = 1/2 Heisenberg antiferromagnetic Hamiltonian on a perfect kagome lattice is known to lead to the stabilization of exotic quantum states, including the long sought spin liquids, which do not exhibit any symmetry breaking even at absolute zero temperature (T = 0 K). The quest for materials that can realize such quantum states has recently led to the discovery of a new family of kagome compounds. These compounds are the result of substituting Zn²⁺ with Y³⁺ in the well-known spin liquid candidate herbertsmithite ZnCu(OH)₆Cl₂ with the initial goal to charge-dope a gapless quantum spin liquid. Although charge doping could not be achieved, the new insulating materials, denoted as YCu₃ (OH)₆₊ₓX₃₋ₓ ( X=Cl, Br and x = 0 or 1/3), often referred to as Y-kapellasite, are interesting frustrated magnets with well isolated kagome layers and no significant dilution of the magnetic lattice. In this experimental work, we present a detailed study of the x=1/3 counterparts, with chlorine (Y₃Cu₉(OH)₁₉Cl₈) and bromine (Y₃Cu₉(OH)₁₉Br₈) variants. They materialize an original anisotropic kagome lattice with three different nearest neighbor interactions. The corresponding theoretical model hosts a rich classical phase diagram encompassing an exotic spin liquid phase and long-range orders. After a general introduction to the physics of magnetic frustration and to the techniques we used, this dissertation comprises two experimental parts. The first part reports the study of large phase-pure single crystals of Y₃Cu₉(OH)₁₉Cl₈, obtained via an external gradient hydrothermal growth method, by local μSR and NMR techniques as well as complementary thermodynamic and neutron scattering measurements. In contrast with previous powder sample studies, this single crystal investigation gives evidence for subtle structural instabilities at 33 K and 13 K which preserve the global symmetry of the system, thus the magnetic model, and which we ascribed to the localization of one of the hydrogen. Further, our results provide clear evidence for a magnetic transition at 2.1 K from complementary experimental methods, which is in line with the theoretical prediction of a (1/3,1/3) long range ordering. However, our analysis of the spin wave excitations yields magnetic interactions which locate the compound closer to the phase boundary of the classical liquid phase. Likely due to large quantum fluctuations at this boundary, the ordered moment of Cu²⁺ is strongly reduced, undetected with neutron diffraction, but revealed with μSR and NMR. In the second part, we delved into the Bromine (Br) variant of the system, introducing chemical pressure by incorporating a larger atom with the aim to further explore the magnetic phase diagram. Employing similar thermodynamic and local techniques on a collection of small single crystals co-aligned along their c-axis, we identified a structural transition at approximately 15 K while a magnetic transition around 9 K was ascribed to an impurity phase. Notably, the system exhibited an intriguing inhomogeneous spin freezing, resulting in a partially ordered ground state below 2.5 K. The partial freezing is reminiscent of the absence of magnetic order in powder samples of the Cl-variant, unlike in the single crystals, and emphasizes the fragility of the ground state to disorder likely as a result of its proximity to a spin liquid phase.