Etude des liquides de spin quantiques par résonance magnétique nucléaire et mesures ultrasonores

Quantum spin liquids studied by nuclear magnetic resonance and ultrasound measurements

• Auteur / Autrice : Antoine Favier
• Direction : Fabrice Bert
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Matière condensée

Matière quantique

Conditions extremes

Condensed matter

Quantum matter

Extreme conditions

Résumé

Le composé minéral herbertsmithite, avec son réseau kagome frustré (fait de triangles à coins partagés), est l'archétype du candidat pour la physique des liquides de spin. Malgré de fortes interactions antiferromagnétiques, il ne s'ordonne pas magnétiquement jusqu'aux plus basses températures étudiées et des signes d'excitations non conventionnelles –fractionnelles- ont été observés par diffusion de neutron. La nature exact de son état fondamental de liquide de spin reste une une question en suspens et fortement débattue. En plus de ce matériau emblématique, toujours étudié en particulier à Orsay et Sherbrooke, de nouveaux composés sont en cours de synthèse avec différentes perturbations par rapport au réseau kagome parfait. Nous nous proposons d'étudier l'Yttrium-kapellasite, proche de l'herbertsmithite, mais qui présente un model de réseau kagome magnétique anisotropique encore inexploré. De grands monocristaux de ce matériau sont disponibles (Coll. P. Puphal, Stuttgart). Une autre facette du projet est dédiée à l'étude de certains oxydes de molybdène qui présentent un réseau kagome ''respirant'', fait de triangles de deux tailles différentes. Le ratio des interactions dans chaque sorte de triangles devrait nous éclairer sur la nature des états fondamentaux dans ces systèmes. Nous nous proposons d'étudier ces nouveaux états grâce à deux techniques complémentaires : la résonance magnétique nucléaire (RMN) afin d'extraire les susceptibilités magnétiques statiques et dynamiques de ces systèmes complexes, et les mesures ultrasonores pour révéler des transitions de phase discrètes via le couplage magnéto-élastique.

The herbertsmithite mineral compound, with its highly frustrated kagome lattice (made of corner- sharing triangles), is the archetypal candidate for the spin liquid physics. Despite strong antiferromagnetic interactions, it does not order magnetically down to the lowest studied temperatures and signatures of unconventional –fractional- excitations are observed in neutron scattering experiments. The exact nature of its spin liquid ground state remains however a pending and hotly debated question. Beyond this emblematic material, still under study in particular by us at Orsay and Sherbrooke, new compounds are being synthesized with various perturbations to a perfect kagome lattice. In particular, we propose to study the Y-kapellasite compound, closely related to herbertsmithite, but which realizes a still unexplored anisotropic kagome magnetic model. Large single crystals of this material are available (Coll. P. Puphal, Stuttgart). Another facet of the project is dedicated to the study of some molybdenum based oxides which realize a so-called ‘breathing' kagome lattice, made of triangles with two different sizes. The ratio of the interactions in both kinds of triangles should determine the nature of the ground states in these systems. We propose to study these novel states through a combination of two complementary techniques: nuclear magnetic resonance (NMR) to extract the static and dynamic magnetic susceptibilities in such complex systems and ultrasound measurements to reveal subtle phase transitions through magneto- elastic coupling.