Propriétés magnétiques dans les réseaux octochlores // octochlore magnets

Topic description

Ces dernières années, les progrès réalisés dans le domaine des aimants frustrés ont conduit à l'émergence de concepts innovants,notamment de nouvelles phases de la matière. Ces dernières ne présentent aucun ordre à longue portée (aucune rupture de symétrie, mais, dans les systèmes classiques, elles correspondent à un état fondamental hautement dégénéré. Un exemple emblématique est celui de la glace de spin dans les pyrochlores : dans ce cas, la construction des configurations dégénérées repose sur une règle simple,qui stipule que la somme des quatre spins dans tout tétraèdre du réseau magnétique doit être nulle. Cette règle dite « règle de la glace » peut être comprise comme la règle de conservation d'un champ de jauge émergent. La preuve expérimentale de cette physique a été fournie par l'observation de points singuliers dans la fonction de corrélation spin-spin lors d'expériences de diffusion élastique des neutrons. Ces points singuliers, appelés points de pincement (pinch-points), apparaissent parce que les corrélations du champ émergent sont de nature dipolaire, avec des corrélations spin-spin algébriques.
L'origine de cette physique réside dans la conjonction entre la connectivité du réseau, l'anisotropie et les interactions magnétiques, qui concourent à sélectionner des configurations où une contrainte locale entre les spins est préservée. Récemment, plusieurs auteurs ont proposé une généralisation de ce concept à d'autres géométries et d'autres contraintes, comme par exemple le réseau « octochlore », formé d'octaèdres partageant leurs sommets. En fonction de la contrainte choisie, différents liquides de spin ont été prédits théoriquement.
Une réalisation expérimentale du réseau octochlore peut être trouvée dans les fluorures de terres rares KRE3F10, dont la structure cristalline forme un réseau de petits et grands octaèdres RE joints par les sommets. La physique des composés KRE3F10 est encore très mal connue, avec seulement quelques articles sur des mesures de magnétisation effectuées il y a deux décennies. L'objectif de ce travail de doctorat sera donc de caractériser l'état fondamental de deux membres 'Kramers' du système KRE3F10 (RE = Dy3+, Er3+), afin d'identifier en particulier toute signature de la physique des liquides de spin suggérée par les travaux théoriques récents, et de mieux comprendre les contraintes qui y conduisent.
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In recent years, progress in the field of frustrated magnets have led to the emergence of innovative concepts including new phases of matter. The latter’s do not show any long-range order (no symmetry breaking), but, in classical systems, exhibit a highly degenerate ground state made of classical configurations. An emblematic example is spin ice in pyrochlores : in this case, the construction of those configurations relies on a simple rule, which states that the sum of the four spins in any tetrahedron of the magnetic lattice must be zero. This so-called “ice rule” can be understood as the conservation rule of an emergent gauge field. Experimental evidence of this physics was provided by the observation of singular points in the spin-spin correlation function by elastic neutron scattering experiments. Such singular points, called pinch points, arise because the correlations of the emergent divergence free field are dipolar in nature, with
algebraic spin-spin correlations.
The origin of this physics lies in the conjunction between lattice connectivity, anisotropy and magnetic interactions, which collude to select configurations where a local constraint between spins is preserved. Recently, several authors have proposed a generalization of this concept to other geometries and other constraints, as for instance the “octochlore” lattice, formed by corner sharing octahedra.
Depending on the chosen constraint, different spin liquids have been theoretically predicted.
An experimental realization of the octochlore lattice can be found in rare earth fluorides KRE3F10, as their crystal structure forms a “breathing” network of small and large RE octahedra. Very little is known about the physics of KRE3F10 compounds, apart from magnetization measurements performed two decades ago. The goal of the PhD work will be to characterize the ground state of two Kramers members of the KRE3F10 system (RE = Dy3+, Er3+), to identify in particular any signature of the spin liquid physics suggested by recent theoretical works, and better understand the constraints leading to it.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Laboratoire Léon Brillouin
Laboratoire : Nouvelles Frontières dans les Matériaux Quantiques
Date de début souhaitée : 01-10-
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : DAMAY-ROWE Françoise
Organisme : CNRS-UMR 12
Laboratoire : LLB - Laboratoire de Diffusion Neutronique
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Funding category

Public/private mixed funding

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