Les langasites : de la frustration magnétique à l'optique non-linéaire – Langasites

Les langasites forment une vaste famille de composés non centro-symétriques transparents. D'abord étudiés comme matériaux lasers, ce sont leurs remarquables propriétés piézoélectriques qui sont exploitées aujourd'hui. De formule générale A3BC3D2O14, ils existent pour une large gamme de cations et leur congruence permet de les fabriquer sous forme de gros monocristaux. Cependant, beaucoup des propriétés de ces composés sont encore très mal connues : les propriétés optiques (luminescence, propriétés nonlinéaires) n'ont été que peu étudiées. On ne sait rien de leurs capacités de bifonctionalité associant ces deux effets. Malgré le potentiel important pour ce type d'application, il n'existe aujourd'hui que très peu de matériaux présentant ces propriétés préparables facilement sous forme de gros cristaux de qualité optique. L'étude de ces propriétés constitue un premier objectif de ce projet. Bien que les sous-réseaux A, B et C des langasites puissent contenir des ions magnétiques, aucune étude de ces propriétés n'a été publiée jusqu'à nos travaux récents. Nous avons montré que le site A occupé par une terre rare magnétique forme un réseau de kagomé. Ces composés sont donc de première importance comme matériaux modèles pour l'étude de la frustration magnétique dans un tel réseau. Les travaux sur la frustration magnétique sont en plein essor et font l'objet de colloques internationaux dédiés. L'étude du réseau kagomé est au centre de cette problématique. Cependant, il n'existe pas de réalisation expérimentale de tels réseaux, du moins dans des composés exempts de désordre et sous forme de gros cristaux utilisables pour les mesures physiques requises. Après avoir réussi la synthèse de cristaux centimétriques en zone fondue, nos premières études expérimentales sur les composés avec A= Pr, Nd ont montré que la frustration induit un état liquide de spin à basse température, dont on rend bien compte par des modélisations théoriques. Un deuxième objectif du projet est donc centré sur l'étude expérimentale et théorique de la frustration du réseau kagomé des langasites, notamment en fonction de la nature de la terre rare (état de spin, anisotropie...). Enfin, nous avons montré que certaines langasites présentaient un ordre magnétique à basses températures: Ba3NbFe3Si2O14 s'ordonne à 25K. Ils permettent donc d'étudier les couplages entre les propriétés liées à la non-centrosymétrie (activité optique, constante diélectrique...) et le magnétisme. C'est là un champ novateur que ces matériaux vont nous permettre d'explorer et qui constitue le troisième objectif du projet. Pour réaliser ce projet ambitieux, il faut d'abord préparer les matériaux. Ceci comporte la synthèse de nouveaux composés et la préparation systématique de gros monocristaux. Pour le magnétisme, langasites d'autres ions de terre rare (par ex. A=Sm, Ce, Gd...) pour l'étude de la frustration ; présentant un ordre magnétique pour l'étude des effets couplés, avec un ou plusieurs sous-réseaux occupés par un ion magnétique. Pour l'optique, dopage par des ions luminescents pour l'étude des effets lasers, et production de gros cristaux de qualité optique pour les mesures ONL et magnéto-optiques. Nous maîtrisons déjà les méthodes de synthèses de céramiques et de cristaux nécessaires à la fabrication de ces matériaux. Les composés produits seront soumis à un ensemble de caractérisations expérimentales: structurales, physiques et optiques. Les partenaires du projet ont une grande complémentarité et une expertise reconnue pour l'ensemble de ces techniques. Des mesures d'effets couplés seront également réalisées, notamment de constante diélectrique et de doublage de fréquence au passage de la transition magnétique, et fonction de la température et du champ. Dans le domaine de la frustration, une étroite collaboration entre expérimentateurs et théoriciens existe depuis longtemps au sein de l'équipe. Les données expérimentales pourront ainsi être constamment confrontées aux modèles théoriques