Etude thermodynamique de la fractionalisation spin-charge en physique de la matière condensée

High sensitivity thermodynamic measurements for the study of spin-charge fractionalization in condensed matter physics

• Auteur / Autrice : Mathilde Schuchard
• Direction : Thierry Klein
• 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

Fractionalisation

Chaleur spécifique

Liquide de spins quantique

Vitesse du son

Fractionalization

Specific heat

Quantum spins liquid

Sound velocity

Résumé

Les électrons dans les solides peuvent généralement être considérés comme des particules élémentaires portant un spin (S=1/2) et une charge (q=-e). Cependant, dans certains cas, ces degrés de liberté élémentaires peuvent être « cassés » en quasi-particules plus fondamentales portant soit le spin, soit la charge. La fractionnalisation spin-charge a par exemple été introduit pour décrire les excitations dans les «liquides de spin quantique» qui peuvent être décrits comme des particules neutres (q = 0) de spin S = 1/2. De même, des expériences dans des isolateurs de Kondo ont récemment suggéré l'existence de surfaces de Fermi électriquement neutres émergeant de la formation de quasi-particules sans charge formées par les électrons itinérants se liant à la charge d'électrons localisés. Élucider le mystère de cette fractionnalisation de l'électron en ses composants de charge (holons) et de spin (spinons) est aujourd'hui l'un des problèmes les plus intrigants de la physique du solide. Au cours de cette thèse, nous envisageons d'étudier cette problématique dans différents systèmes par des mesures thermodynamiques.

Electrons in solids can generally be viewed as elementary particles carrying a spin (S=1/2) and a charge (q=-e). However, in some cases, those elementary degrees of freedom can be “broken” in more fundamental quasi-particles carrying either the spin or the charge. Spin-charge fractionalization has for instance been introduced to describe the excitations in so-called “quantum spin liquids” which are expected to be neutral particles (q=0) of spin S=1/2, called spinons. Similarly, experiments in Kondo insulators recently suggested the existence of electrically neutral Fermi surfaces emerging from the formation of charge less quasi-particles formed by itinerant electrons binding with the charge component (called holons) of fractionalized localized electrons. Unravelling the mystery of this fractionalization of the electron into its charge (holons) and spin (spinons) components is today one of the most intriguing issue of solid-state physics. During this PhD internship, we plan to study this fractionalization issue in various systems through thermodynamic measurements.