Magnétisme frustré Organisateurs : sylvain Petit ([email protected]) et Elsa Lhotel ([email protected]) Proposé par : DMC, DCPhys
La frustration magnétique, c'est à dire l'incapacité d'un système à satisfaire simultanément l'ensemble de ses interactions, fait l'objet de nombreuses recherches en physique de la matière condensée. Ce phénomène, qui peut être lié à la topologie du réseau cristallin ou aux compétitions entre interactions, constitue la source de nouveaux états exotiques de la matière, dont la description va au-delà du paradigme de Néel. On peut citer par exemple les liquides de spins, verres ou ré-entrants, glaces de spin, phases de Coulomb, états fragmentés, etc ... Ils sont le plus souvent accompagnés de spectres d'excitations composés de particules exotiques, éventuellement porteurs de nombres quantiques fractionnaires : spinons, fermions de Majorana ... En plus de nombreux travaux théoriques, cette thématique s'appuie sur des mesures à très basse température de la dynamique de spin, par RMN diffusion des neutrons et par les techniques macroscopiques, réalisées sur des systèmes cristallins bulk comme sur des systèmes artificiels. Programme:
16h30 : Fabien Alet (LPT Toulouse) : Magnétisme frustré : introduction et quelques exemples 17h00 : Julien Robert (Inst. Néel Grenoble) : Frustration magnétique et réseau pyrochlore 17h20 : Edwin Kermarrec (LPS Orsay) : Nouveaux états quantiques sur le réseau kagomé 17h40 : Yann Perrin (LETI Grenoble) : Exploration de phases magnétiques dans la glace carrée
artificielle 17h50 : Kirill Plekhanov (CPHT Palaiseau) : Chiral spin state in the frustrated spin-1/2 XY
model on the honeycomb lattice 18h00: Dalila Bounoua (ICMMO Orsay) : Dynamique de spin et de réseau dans le cuprate à
chaînes de spins ½ SrCuO2 substitué par une impureté de S=0 18h10 : Driss Farsal (Univ. Casablanca Maroc) : Anisotropic Ising model with competing
interactions in a magnetic field
O1 Congrès général SFP 2017
Magnétisme frustré : introduction et quelques exemples
F. Alet1 1 Laboratoire de Physique Théorique, IRSAMC, CNRS, Université Paul Sabatier, 118 Route de Narbonne, 31062 Toulouse, France
Les systèmes magnétiques frustrés mettent naturellement en jeu des interactions en
compétition et constituent un laboratoire idéal de l’étude de la complexité, et de l’émergence de
nouvelles solutions collectives. Leur étude requiert les efforts conjoints des chimistes, physiciens
expérimentateurs et théoriciens.
La frustration magnétique se comprend très intuitivement en regardant le problème classique
du triangle antiferromagnétique. Les fluctuations quantiques peuvent parfois résoudre ce
problème en choisissant un type d’ordre, parfois purement quantique, ou en n’en choisissant pas
du tout (liquide de spins).
Après une brève introduction au magnétisme frustré, nous essaierons de présenter une
sélection de questions ouvertes du domaine. Certaines anciennes (spins 1/2 sur le réseau
kagome, «preuve tangible» expérimentale des liquide de spins etc) sont toujours présentes,
d’autres nouvelles apparaissent (frustration et couplage spin-orbite, intrication à longue portée
etc) avec le raffinement des techniques de synthèse, des mesures expérimentales et des
concepts théoriques.
Si le temps le permet, nous évoquerons d’autres systèmes physiques où les concepts et
modèles du magnétisme frustré peuvent être pertinents (glace de spin artificielle, atomes froids).
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Pour les colloques :Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017
Frustration magnétique et réseau pyrochlore
Julien Robert1 1 Institut Néel, CNRS/UGA UPR2940, 25 rue des Martyrs BP 166, 38042 Grenoble cedex 9
La matière condensée est un domaine propice à l’apparition de phénomènes complexes trouvant souvent leur origine dans des ingrédients pourtant très simples (tels que la présence de fortes corrélations électroniques ou encore des compétitions entre différents degrés de liberté). Il arrive notamment que certains modèles puissent se calquer sur d’autres appartenant pourtant à des pans de la physique très différents. La frustration magnétique offre dans ce cadre un terrain très fertile à l’apparition d’états magnétiques inhabituels, ne pouvant être caractérisés par aucun paramètre d’ordre local. Cette frustration, de manière très générale, correspond à un état d’insatisfaction caractérisé par la propagation d’informations pouvant être contradictoires. Dans le cas des systèmes qui nous intéressent ici, elle est due à leur incapacité à minimiser simultanément toutes les énergies d’interaction individuelles, menant ainsi généralement à la présence de multiples états minimisant l’énergie. Les fluctuations thermiques et quantiques jouent ainsi un rôle fondamental dans la compréhension et la description de tels états. Au cours de cette présentation, nous nous intéresserons en particulier au cas du réseau pyrochlore, qui a été au coeur des études effectuées dans ce domaine au cours des dernières décennies. Sa structure cristalline (réseau de tétraèdres connectés par leur sommets), hautement symétrique, en fait un système aux ingrédients très simples et se retrouve par ailleurs très souvent stabilisée dans la matière. En confrontant prédictions théoriques et résultats expérimentaux, nous nous intéresserons ici aux types d’états magnétiques que peut générer une telle structure, allant d’états magnétiques ordonnés à des liquides de spins (tels que les phases de Coulomb, dont les particules élémentaires sont des charges magnétiques effectives). Nous montrerons finalement que ces deux types d’états (ordonnés et désordonnés) peuvent aussi coexister au sein d’un même système, et être partagés par un même et unique degré de liberté (fragmentation magnétique).
Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017
Nouveaux états quantiques sur le réseau kagomé
Edwin Kermarrec 1, Fabrice Bert 1, Philippe Mendels 1 1 Laboratoire de Physique des Solides, CNRS, Univ. Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Bât.510, Campus d’Orsay, 91400 Orsay France
Figure 1: (de gauche à droite) Cristaux du minéral herbertsmithite naturel (image principale) et
synthétique (insert), possédant un réseau kagomé formé par des ions Cu2+. Architecture intérieure du
centre Pompidou à Metz. Illustration d’études numériques récentes1 démontrant l’existence d’un état liquide
de spin aux corrélations algébriques pour un réseau kagomé de spin S=1/2.
Le motif géométrique kagomé fascine autant les artistes que les architectes, et orne souvent les
objets et monuments de notre quotidien (Fig.1). Il intrigue aussi particulièrement les physiciens, car
il remet en question nos savoirs fondamentaux, jusqu’à la définition même des états de la matière,
un sujet au cœur de la physique de la matière condensée actuelle2,3. L’enjeu principal est de pouvoir
répondre à une question en apparence simple : quelle est la nature de l’état magnétique d’un réseau
kagomé de spin quantique S = 1/2 en interaction antiferromagnétique ? Des études théoriques ont
établi qu’il s’agissait d’un état purement quantique sans brisure spontanée de symétrie, y compris
à T = 0, ou liquide de spin, mais ce n’est que depuis quelques années que des réalisations
expérimentales sont apparues4, permettant enfin de confronter théorie et expérience. Les mesures
par spectroscopies (RMN, µSR et diffusion de neutrons), menées en partie par notre équipe de
recherche au Laboratoire de Physique des Solides, sont cruciales pour déterminer la dynamique
des spins électroniques à basse énergie et démontrer l’existence d’un état quantique liquide de
spin.
Lors de cette présentation nous reviendrons sur les avancées marquantes de ces dernières
années dans le domaine, en soulignant les contributions de la communauté française du
magnétisme quantique sur le plan expérimental et également théorique.
1. H. J. Liao et al., Gapless Spin-Liquid Ground State in the S=1/2 Kagome Antiferromagnet, Phys. Rev. Let t .118 , 137202 (2017) 2. F. Bert, P. Mendels, O, Cépas et C. Lhuillier , Quand la frustration rend plus dynamique: les liquides de spins quantiques, Reflets de la Physique 37, 4-11 (2013) 3. L. Balents, Spin liquids in frustrated magnets, Nature 464, 199 (2010) 4. P. A. Lee, An end to the drought of quantum spin liquids, Science 321, 1306 (2008)
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Pour les colloques : Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017
Exploration de phases magnétiques dans la glace carrée artificielle
Y. Perrin1, N. Rougemaille2, B. Canals 32
1 DACLE, CEA-LETI, Grenoble, France 2 CNRS, Inst NEEL, F-38000 Grenoble, France
En physique, le phénomène de frustration apparaît en présence de forces en compétition
qui ne peuvent pas être simultanément satisfaites. Il existe de nombreux composés frustrés en
matière condensée, notamment ceux à base de terres rares comme Dy2TiO7 ou Ho2Ti2O [1].
Leur frustration engendre des propriétés magnétiques inhabituelles, comme une entropie
résiduelle ou des excitations analogues à des monopoles magnétiques [2]. Malheureusement, les
techniques expérimentales ne permettent pas de sonder chaque spin individuellement dans ces
composés.
Figure 1. a) Image de microscopie à force magnétique montrant un réseau carré dans un état de basse
énergie désordonné (surface 14 µm x 14 µm). b) Facteur de structure magnétique moyenné sur quatre
réalisations de a). c) Facteur de structure magnétique calculé pour un réseau parfaitement dégénéré dans
sa variété de basse énergie.
En 2006, Wang et al. ont proposé un nouvel objet d'étude pour la frustration magnétique [3].
Par lithographie électronique, il est possible de créer des réseaux de nanoaimants à géométrie
contrôlée. L'état de chaque aimant peut être résolu dans l'espace direct à température ambiante
grâce aux techniques d'imagerie magnétique (microscopie à force magnétique par exemple).
Cela permet d'étudier localement comment le système s'accommode de la frustration. Le réseau
carré de Wang et al. [3] est un analogue bidimensionnel des glaces de spin. Mais, pour des
raisons géométriques, il s'ordonne au lieu de présenter un état fondamental dégénéré.
Dans cette contribution, nous expliquerons comment rétablir la dégénérescence de l'état
fondamental du réseau carré de nanoaiamants. La figure 1a représente une image magnétique
expérimentale obtenue sur ce nouveau système. La comparaison entre les facteurs de structure
expérimentaux (fig. 1b) et théoriques (fig. 1c) montrent que le réseau expérimental présente des
corrélations très proches de celles attendues pour un modèle dégénéré idéal. Nos résultats
montrent l'apparition de points de pincement localisés dans des régions particulières de l'espace
réciproque. Cette étude fait un pas vers l'observation et l'étude d'une phase de coulomb dans les
réseaux de nanoaimants [4]. [1] M.J. Harris et al., Phys. Rev. Lett. 79, 2554 (1997). [2] C. Castelnovo et al., Nature 451, 7174 (2008). [3] R.F. Wang et al., Nature 439, 303 (2006). [4] Y. Perrin et al., Nature 540, 410 (2016).
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O1 Congrès général SFP 2017
Résumé pour la présentation orale du CG-SFP2017
Kirill Plekhanov1,2, Guillaume Roux1, Karyn Le Hur2
1 LPTMS, Université Paris-Sud, UMR 8626, 91405 Orsay Cedex, France2 CPHT, Ecole Polytechnique, UMR 7644, 91128 Palaiseau Cedex, France
Recently, it was argued that the frustrated XY model for spin-1/2 on the honeycomb lattice can support a chiral spin state suggested by Kalmeyer and Laughlin. The formation of this state is accompanied by a spontaneous breaking of time-reversal and parity symmetries and the ground state is characterized by the presence of a gapped bulk and gapless edge modes due to spinons (chargeless spin-1/2 quansiparticles), owing to a nontrivial Chern number. In this presentation we want to present our work on a numerical verification of the analytical predictions and reconstruction of the phase diagram of the frustrated XY model, based on the calculation of local order parameters, structure factors and scalar spin chirality, using the exact diagonalization technique.
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O1 Congrès général SFP 2017
Anisotropic Ising model with competing interactions in a magnetic field
D. Farsal¹, M. Snina¹, M. Badia² and M. Bennai1,3
¹Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Faculté des Sciences Ben M'sik, B.P. 7955, Université Hassan II de Casablanca, Maroc. ²Ecole Royale de l'air, Département de mécanique, DFST, B.P. 40002, Marrakech, Maroc. ³LPHE-Modélisation et Simulation, Faculté des Sciences Rabat, Université Mohamed V Rabat, Rabat, Maroc.
Abstract
We study the critical behavior of two-dimensional anisotropic Ising model on a square lattice by
the finite cluster approximation based on a single-site cluster theory and by Monte Carlo
techniques (MC). The aim of this study is to determine the phase diagram of the model and to
verify the existence of a divergence at null temperature which often appears in two-dimensional
systems. Finally, we will check the behavior of the specific magnetic heat as well as the
correlations of the model. Finally, we do a comparison between the finite cluster approximation,
the mean-field approximation, and the Monte Carlo method on the level of the phase diagram in
the plan (Jh/Tc , Jv/Tc) .
Keywords: Ising model, Monte Carlo simulation, Critical temperatures, Magnetic, Critical
phenomena.
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Figure 1: Gauche: Spectre d’excitations magnétiques centré à Q (1 0 0.5) montrant le pseudo-gap de spin à basse énergie et Droite: Phonon acoustique transverse et phason se propageant suivant Q(H 0 2) dans le composé La
0,01Sr
0,99CuO
2 à T=1,5K
Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017
Dynamique de spin et de réseau dans le cuprate à chaînes de spins ½
SrCuO2 substitué par une impureté de S=0
Dalila BOUNOUA1, Romuald SAINT-MARTN1, Sylvain PETIT2, Françoise DAMAY², Yvan SIDIS2, Frédéric BOURDAROT3
, Loreynne PINSARD-GAUDART1,
1 Equipe Synthèse Propriétés et Modélisation des Matériaux, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux
d’Orsay. Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
2 Laboratoire Léon Brillouin, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif sur Yvette, FRANCE.
3 INAC SPSMS, CEA and Université Joseph Fourier, F-38000 Grenoble, France
Nous nous intéressons à l’étude du
confinement des excitations magnétiques de
S= ½, les spinons, ainsi qu’à la propagation
des phonons, dans le cuprate quasi-1D
SrCuO2, lorsqu’il est substitué par des
impuretés de S=0. SrCuO2 comprend dans
sa structure des chaînes zigzag de cuivre
(S=½). Malgré la présence d’une interaction
ferromagnétique frustrée au sein des
chaînes, SrCuO2 se comporte comme un
composé à chaînes linéaires de spins ½
plutôt qu’un matériau à échelles de spins à
deux montants, et son spectre d’excitations
magnétique consiste en un continuum à
deux spinons1. Par ailleurs, SrCuO2
présente des propriétés de conduction thermique fortement anisotropes. Le transport de la
chaleur, dans la direction des chaînes de spins est balistique, et il s’effectue via la propagation
des phonons et des spinons2.
Afin de corréler les propriétés de transport à la propagation des quasi-particules mises en jeu
lors de ce processus, les spectres d’excitations magnétiques ainsi que les modes de phonons des
composés SrCuO2 pur et substitués : SrCu0.99M0.01O2 (M= Mg ou Zn, S=0) et La0.01Sr0.99CuO2
(La3+ créant des Cu+ (S=0) dans les chaînes) ont été mesurés par diffusion inélastique de
neutrons. L’introduction, intentionnelle, d’impuretés non-magnétiques sur le site du cuivre permet
de sonder les mécanismes d’interaction du type : spinons-défauts et phonons-défauts. On montre
qu’un taux de dopage de 1% suffit à modifier les spectres d’excitations magnétiques des
composés correspondants, en ouvrant un pseudo-gap de spin à basse énergie3. De même, on
met en évidence une interaction du type hôte-invité entre les chaînes substituées et le réseau
SrCuO2. Ces résultats nous permettent d’extraire une tendance générale de l’impact de la
substitution par une impureté de S=0 et de les relier aux propriétés de transports résultantes.
1. I.A. Zaliznyak, H. Woo, T.G. Perring,et al, Spinons in the Strongly Correlated Copper Oxide Chains in SrCuO2, Physical
Review Lettters 93, 087202 (2004).
2. N. Hlubek, P. Ribeiro, R. Saint-Martin et al., Ballistic heat transport of quantum spin excitations as seen in SrCuO2, Physical
Review B 81, 020405 (2010).
3. D. Bounoua, R. Saint-Martin, Petit et al., Impurity-induced spin pseudogap in doped SrCuO2 with (Mg, Zn, and La), Physical
Review B (submitted).
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