Echelle de spin au fer : des systèmes quantiques exceptionnels

Iron based Spin ladders

• Auteur / Autrice : Yassine Oubaid
• Direction : Pascale Foury-leylekian, Victor Baledent
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• 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

Magnetisme

Supraconductivité

Multiferroïque

Magentism

Superconductivity

Multiferroicity

Résumé

La supraconductivité (SC) non conventionnelle et le magnétisme sont généralement mutuellement exclusifs. Cependant, l'ordre magnétique semble être un ennemi nécessaire de la SC non conventionnelle. C'est notamment le cas dans les cuprates (ordre AFM au voisinage de l'état SC) ou les SC à base de Fe (onde de densité de spin proche de l'état SC). Les obstacles actuels à la compréhension du mécanisme d'appariement de Cooper sont liés à la dimensionnalité des systèmes. La prise en compte de systèmes quasi-1D devrait être beaucoup plus simple et devrait conduire à l'émergence de nouveaux modèles théoriques. Les spin-ladders à base de fer du type BaFe2X3 (X=S, Se) sont des composés quasi-1D particulièrement intéressants. Ils sont des isolants à température ambiante et à la pression ambiante. En outre, BaFe2Se3 est ferriélectrique à 300 K. En dessous de la TN (250 K pour BaFe2Se3 et 120 K pour BaFe2S3), un ordre magnétique se développe le long des échelles de spin (Fig. 1) résultant en une propriété multiferroïque. Les comportements magnétiques et diélectriques sont fortement différents dans les deux types d'échelles de spin, ce qui n'est pas encore compris. Sous pression, une transition SC se produit dans les deux systèmes, conduisant à un diagramme de phase très riche en fonction de la pression et de la température. L'influence d'autres paramètres externes, tels que les champs magnétiques/électriques, le dopage de charge, la substitution chimique ou l'irradiation ionique reste à étudier avec l'espoir raisonnable de découvrir de nouvelles phases, de nouvelles propriétés et une meilleure compréhension de ces matériaux. En effet, chacun de ces paramètres est susceptible de favoriser l'une ou l'autre des instabilités parmi les nombreux ordres présents dans cette famille. En déstabilisant l'équilibre fragile entre les différents paramètres d'ordre sous-jacents, nous espérons atteindre de nouveaux états fondamentaux remarquables. C'est l'objectif du Doctorat. Pour étudier cette famille, nous utilisons un large éventail de techniques expérimentales : diffraction de rayons X (structure atomique), Raman et IR (phonons), ARPES (structure de bande), absorption et émission de rayons X (RIXS), diffusion de neutrons (structure magnétique et dynamique de spin) à la fois au LPS et sur de grandes installations (synchrotrons et réacteurs à neutrons, laboratoire à haut champ magnétique LNCMI...). De nombreux environnements d'échantillon seront également utilisés (champ électrique/magnétique, pression, température...).

Unconventional superconductivity (SC) and magnetism are usually mutually exclusive. However, magnetic order seems a necessary foe of unconventional SC. It is particularly the case in cuprates (AFM order in the vicinity of the SC state) or Fe-based SC (spin density wave close to the SC state). The current obstacles in the understanding of Cooper pairing mechanism are related to the dimensionality of the systems. Considering quasi-1D systems should be much simpler and should lead to the emergence of new theoretical models. Fe-based spin-ladders of the type BaFe2X3 (X=S, Se) are particularly interesting quasi-1D compounds. They are insulators at room temperature and ambient pressure. In addition, BaFe2Se3 is ferrielectric at 300K. Below TN (250 K for BaFe2Se3 and 120 K for BaFe2S3), a magnetic order develops along the spin ladders (Fig. 1) resulting in multiferroic property. The magnetic and dielectric behaviours are strongly different in the two types of spin-ladders which is not yet understood. Under pressure, a SC transition occurs in both systems leading to a very rich phase diagram as a function of pressure and temperature. The influence of other external parameters, such as magnetic/electric fields, charge doping, chemical substitution or ionic irradiation remains to be investigated with a reasonable hope to discover new phases, new properties and a better understanding of theses materials. Indeed, each of these parameters is likely to favor one or another instability among the many orders present in this family. By destabilizing the fragile balance between the different underlying order parameters, we expect to reach new remarkable ground states. This is the objectif of the internship/PhD. To study this family, we use a large range of experimental techniques : X-ray diffraction (atomic structure), Raman and IR (phonons), ARPES (band structure), X-ray absorption and emission (RIXS), Neutron scattering (magnetic structure and spin dynamics) both at LPS and on large facilities (synchrotrons and neutron reactors, high magnetic fiedd lab LNCMI..). Numerous sample environment will also be used (electric/magnetic field, pressure, temperature