A la recherche des glaces de spins quantiques à travers le désordre

Searching for Quantum Spin Ice through disorder

• Auteur / Autrice : Nathan Bujault
• Direction : Elsa Lhotel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MCBT

Mots clés

Mots clés libres

Magnétisme

Frustration

Mesures à basse température

Magnetism

Frustration

Low temperature measurements

Résumé

La frustation géométrique est un ingrédient extrêment riche pour stabiliser des phases quantiques magnétiques topologiques dans les systèmes tridimensionnels. Ces phases appelées liquides de spins quantiques sont caractérisées par l'absence d'ordre à longue portée jusqu'à température nulle, et par un état fondamental possédant une fonction d'onde intriquée à longue distance. Parmi ces phases, l'état glace de spins quantique (QSI pour Quantum Spin Ice) a été prédit dans les matériaux glaces de spins (dans lesquels le magnétisme est gouverné par des règles locales générant un état fondamental dégénéré) quand les fluctuations quantiques peuvent induire un effet tunnel entre un nombre macroscopique de configurations de l'état fondamental classique. Cet état QSI constitue un analogue sur réseau de l'électrodynamique quantique, avec des excitations émergentes pouvant s'apparenter au photon. Atteindre cet état QSI dans les composés réels est cependant difficile. Nous proposons de tester expérimentalement la prédiction théorique suivante: un état QSI devrait émerger du désordre dans les glaces de spins classiques pour lesquelles l'ion magnétique possède un spin entier. Dans ce projet de thèse, nous nous focaliserons sur le composé glace de spins Ho2Ti2O7, en introduisant du désordre de façon contrôlée par une substitution d'Hf sur le site du Ti non-magnétique (synthèse R. Sibille, PSI-Suisse). Une gamme de substitutions sera étudiée afin de sonder l'ensemble du diagramme de phase prédit théoriquement. Nous combinerons mesures macroscopiques (aimantation, chaleur spécifique) et microscopiques (neutrons) à très basse température, afin de déterminer précisément les propriétés des composés étudiés. Nous nous focaliserons particulièrement sur la dynamique lente, sondée par susceptibilité alternative, qui devrait être fortement modifiée par l'introduction de fluctuations quantiques via le désordre. Ces mesures seront réalisées avec les magnétomètres à SQUID très basse température de l'Institut Néel, et impliqueront un développement instrumental pour améliorer la gamme de mesure en fréquence. Dans cette thèse, nous projetons d'établir le diagramme de phase détaillé, en identifiant des phases non triviales, et en espérant atteindre l'état QSI. L'objectif est également de comprendre de façon quantitative la relation entre le désordre microscopique et les fluctuations quantiques résultantes.

Geometrical frustration provides a rich ingredient to stabilize topogical quantum magnetic phases in three-dimensional systems. These so-called quantum spin liquids are characterized by the absence of long range order down to zero temperature and a long range entangled ground state wavefunction. Among these phases, the quantum spin ice (QSI) state has been predicted to emerge in spin ice materials (in which the magnetism is governed by local rules giving rise to a ground state degeneracy) when quantum fluctuations induce tunneling between a macroscopic number of different classical ground states. This QSI state is a lattice analog of quantum electrodynamics, with emergent photon-like excitations. Reaching this QSI state in real compounds is however difficult. We propose to test experimentally the theoretical prediction that a QSI state may emerge from disorder in classical spin ices made of magnetic ions with integer spins. In this PhD project, we will focus on the spin ice compound Ho2Ti2O7, by introducing disorder in a controlled way with a Hf substitution on the non-magnetic Ti (synthesis R. Sibille, PSI-Switzerland). A range of substitutions will be studied to probe the whole predicted phase diagram. We will combine low temperature macroscopic (magnetization, specific heat) and microscopic (neutron scattering) to precisely determine the properties of these compounds. We will especially focus on the slow dynamics, probed by ac susceptibility, which are expected to be strongly affected by the introduction of quantum fluctuations through disorder. This will be done with the very low temperature SQUID magnetometers at the Institut Néel, and includes instrumental development to improve their frequency range. From this PhD project, we expect to establish a detailed phase diagram, identifying non-trivial phases, and possibly to reach the QSI state. We also aim at understanding the quantitative relation between microscopic disorder and resulting quantum fluctuations.