Liquides de spin frustrés – SpinLiq

Nous proposons d’étudier la physique des liquides de spin quantiques engendrés par les effets de frustration géométrique. Ce projet s’inscrit dans un cadre renouvelé par l’accroissement spectaculaire du nombre de candidats expérimentaux sur des réseaux bidimensionnels à base de triangles, tels que non seulement le réseau emblématique « kagome », à sommets partagés, où les effets de la frustration sont exacerbés, mais aussi les réseaux triangulaires, à côtés partagés, qui questionnent l’idée généralement admise d’un fondamental de type Néel. La nature du fondamental, des excitations fractionnaires restent un des problèmes les plus ardus en physique de la matière condensée, aussi bien sur le plan expérimental que théorique qui nécessite à l’heure actuelle de maîtriser toutes les étapes, de la synthèse au modèle théorique pour espérer des avancées significatives dans ce domaine. Notre projet a l’ambition de regrouper des acteurs ayant une forte reconnaissance dans le domaine, associant les compétences complémentaires, d’une part en synthèse, de l’Institut des Matériaux de Nantes et de l’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, d’autre part, de l’équipe RMN-µSR du Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay et de B. Fak (SPSMS) en diffusion inélastique des neutrons ainsi que l’équipe fermions corrélés du LPTMC.
Afin de cerner les propriétés de l’état liquide de spins, des mesures dans le domaine sub-Kelvin seront effectuées, alliant mesures thermodynamiques, mesures de susceptibilité locales et de relaxation (RMN, µSR) et de diffusion inélastique des neutrons qui donneront accès au comportement ultime de la susceptibilité et à la dynamique sur différentes échelles de temps et seront calculés dans des modèles prenant en compte les spécificités des différents composés étudiés [échange au-delà des premiers voisins,échange cyclique]. Nous explorerons aussi l’existence de transitions induites sous champ et mettrons en œuvre une stratégie « perturber pour révéler », en utilisant le caractère local de la RMN pour étudier les textures de spin induites par des lacunes de spin, un domaine dans lequel des approches théoriques ont été récemment développées.
La synthèse difficile de monocristaux –mais réalisée par une équipe dans le monde au M.I.T., par exemple du composé emblématique, l’Herbertsmithite ZnCu3(OH)6Cl2, avec enrichissement en 17O, la synthèse du premier composé triangulaire Heisenberg modèle KCrO2 représentent des enjeux internationaux majeurs pour ces études. La nouvelle famille d’isolants de Mott sur réseau triangulaire, Ba3MSb2O9 (M=Cu, Ni, Co) outre son caractère liquide de spins offre une grande richesse au niveau des ions magnétiques et des substitutions (Zn, Mg) qui ouvrent la voie à des études novatrices qui utiliseront tout le potentiel de collaboration de notre consortium. Enfin, par le biais de collaborations internationales bien établies nous pourrons aborder l’étude de l’Haydeite [Colman, 2010] et d’un nouveau composé kagomé liquide de spin à base de Vanadium [Aidoudi, 2011].
Du point de vue théorique les années 70 furent celles des spéculations sur l’existence des liquides de spin. Les années 90 virent le développement de modèles théoriques susceptibles d’exhiber des phases liquides de spin. Nous avons aujourd’hui des composés montrant des comportements de liquide de spins et l’objectif est de comprendre la nature de ces liquides de spins et de leurs excitations en confrontant de manière fine propriétés thermodynamiques, spectres de diffusion inélastique de neutrons et mesures RMN aux prédictions de diverses approches théoriques. Les questions qui doivent être abordées sont nombreuses : nature des quasi-particules fractionalisées, de leurs interactions, rôle du désordre…