Physique de basses énergies des sytèmes magnétiques géométriquement frustrés – HFM

Le cadre général de notre projet est la recherche de nouveaux états électroniques de la matière, un domaine où les fortes corrélations électroniques en jeu dans les oxydes ont joué un rôle essentiel ces dernières années. La stabilisation de nouveaux états magnétiques de la matière demande de dépasser le paradigme des états ferromagnétiques et antiferromagnétiques ordonnés. Dès 1973, PW Anderson a proposé qu?il pourrait exister une alternative à l?état de Néel pour un matériau à interactions antiferromagnétiques en présence d?une forte frustration géométrique des interactions magnétiques. Dans ce dernier cas, la géométrie du réseau elle-même empêche l?établissement d?un ordre de type Néel simple. Pour un système de spins quantiques (S=1/2) pour lesquels les fluctuations quantiques sont les plus importantes, disposés sur un réseau triangulaire, Anderson proposait un nouvel état fondamental à liens de valence résonants (RVB en anglais) ; un nouvel état de nature complètement quantique construit sur la résonance de tous les recouvrements possibles du réseau par des singulets. Au cours des années 90, il a été montré théoriquement que l?état fondamental s?ordonne à T=0 K dans un état de Néel à trois sous-réseau. Par contre, pour une géométrie moins contrainte, telle que la géométrie kagome, un réseau de triangles à sommets partagés, l?état fondamental est certainement désordonné même s?il n?est pas encore à ce jour caractérisé. De plus, il a été montré que le spectre d?excitation de basse énergie du système kagome quantique présente un continuum d?état non magnétiques caractéristique ainsi qu?un gap de spins étonnamment faible, voire peut-être nul à la limite d?un matériau réel macroscopique. L?absence de matériau modèle pour cette physique de spin S=1/2 sur réseau kagomé a longtemps empêché une confrontation fine entre théorie et expériences. Ce n?est que très récemment, en 2005, qu?un composé de spin ½ , à structure magnétique kagomé parfaite a pu être synthétisé. Des mesures de muSR nous ont permis de montrer que ce matériau restait « magnétiquement liquide » jusqu?à au moins 50mK et permettait enfin d?attaquer expérimentalement le problème de la nature de l?état fondamental. Cette découverte a incontestablement relancé l?intérêt de la communauté internationale pour les liquides quantiques de spins et de nouvelles propositions théoriques apparaissent. De plus, par des mesures locales de RMN de l?17O nous avons pu mesurer précisément et pour la première fois la susceptibilité intrinsèque des plans kagomé qui est masqué par une contribution de défauts dans les mesures macroscopiques (SQUID). A basse température (T~J/100) , la susceptibilité locale et la relaxation démontrent l?absence de gap de spin. Ceci a relancé les débats théoriques sur l?existence d?un gap de spin dans le modèle kagomé quantique et conduit d?autre part à s?interroger sur l?Hamiltonien réel qui décrit l?Herbertsmithite au-delà de l?Hamiltonien de Heisenberg. Nous avons pu récemment mesuré le terme de perturbation dominant, l?interaction Dzyaloshinsky-Moriya, par des mesures de RPE. Cette perturbation n?avait jamais été prise en compte dans le cas quantique et les premiers calculs d?O.Cépas ouvrent un champ d?investigation totalement nouveau en fonction de ce paramètre ; l?Herbertsmithite pouvant être situé à un point critique quantique du nouveau diagramme de phase. Ces premiers résultats appellent des études plus approfondies notamment en fonction d?un paramètre de perturbation contrôlé comme le taux d?impuretés non magnétiques , le champ magnétique extérieur ou encore la pression utilisée pour modifier l?interaction DM et étudié le diagrame de phase autour de son point critque quantique. Notre projet expérimental porte sur l?étude de l?état fondamental des composés antiferromagnétiques S=1/2 à réseau kagomé ainsi que de leurs excitations de basses énergies par une combinaison de sondes locales (RMN, muSR) et de mesures thermodynamiques (SQUID, Chaleur spécifique). Ce programme appelle des développements vers les très basses températures (T<1K), aussi bien pour les expériences de RMN que pour les mesures de chaleur spécifique, une grandeur sensible à la fois aux excitations magnétiques et non magnétiques du système. Dans une stratégie ?perturber pour révéler? la réponse du réseau kagome quantique à un défaut non magnétique sera aussi étudiée. Dans un cadre plus prospectif, nous mènerons une étude exploratoire de nouvelles familles de composés kagome. Ce projet s?insère dans un contexte international d?intérêt croissant pour les liquides de spins et plus généralement pour la physique des systèmes géométriquement frustrés, ravivé notamment par la découverte de l?Herbertsmithite. Dans le cadre d?une forte compétition internationale, notre expertise des techniques locales nous a permis de contribuer de manière importante au domaine et sera un atout pour le succès futur de notre projet.