Liquides de Spin Quantiques sur réseau Kagome – LINK

Les matériaux modèles sélectionnés, soigneusement caractérisés du point de vue physico-chimique et structural, seront étudiés en détails par une combinaison unique de techniques locales résonantes (résonance magnétique nucléaire, des muons) ou résolues dans l’espace réciproque avec la diffusion de neutrons inélastique. De plus, nous modifierons ces matériaux, soit par les conditions extérieures (pression, champ), soit par des variations chimiques bien maitrisées en suivant une stratégie « perturber pour révéler ».
Sur le plan théorique, nous développerons des approches numériques permettant de calculer les grandeurs thermodynamiques et révéler les textures de spin induites par les défauts, ouvrant ainsi la confrontation avec les résultats expérimentaux obtenus dans ce projet.

1-Croissance en solution et caractérisation de monocristaux d’hebertsmithite ZnxCu4-x(OH)6Cl2: M. Velazquez et al., J. Crystal Growth, 531, 125372 (2020).

2-: Etude de l’état fondamental du composé herbertsmithite, ZnCu3(OH)6Cl2, archétype de la physique sur réseau kagome antiferromagnétique : absence de gap: P. Khuntia et al., Nature Physics, 16, 469 (2020).

3- Etude locale d’un dérivé de l’herbertsmithite YCu3(OH)6OxCl3-x (x = 0, 1/3): Q. Barthelémy, Phys. Rev .Materials, 3, 074401 (2019).

4- Etude par des séries de l’effet des perturbations sur l’état fondamental du réseau kagome antiferromagnétique (B. Bernu et al., Phys. Rev. B, 101 140403 (2020).

- Découverte et étude de nouveaux composés à géométrie kagomé dans la limite quantique.
- Progrès dans la détermination de la nature du fondamental liquide de spins sur réseau kagome antiferromagnétique.
- Développement de nouveaux outils numériques pour l'étude des propriétés thermodynamiques et textures de spin.

1. “Aqueous solution growth at 200 degrees C and characterizations of pure, O-17- or D-based herbertsmithite ZnxCu4-x(OH)(6)Cl-2 single crystals”
M. Velazquez, F. Bert, P. Mendels, D. Denux, P. Veber, M. Lahaye, C. Labrugere, J. Crystal Growth, 531, 125372 (2020).

2. “Gapless ground state in the archetypal quantum kagome antiferromagnet ZnCu3(OH)(6)Cl2”
P. Khuntia, P., M. Velazquez, Q. Barthelémy, F. Bert, E. Kermarrec, A. Legros, B. Bernu, L. Messio, A. Zorko, P. Mendels, Nature Physics 16, 460 (2020).

3. Local study of the insulating quantum kagome antiferromagnets YCu3(OH)(6)OxCl3-x (x=0, 1/3)
Q. Barthelémy, P. Puphal, K.M. Zoch, C. Krellner, H. Luetkens, C. Baines, D. Sheptyakov, E. Kermarrec, P. Mendels, F. Bert, Phys. Rev. Materials 3, 074401 (2019).

4. Effect of perturbations on the kagome S=1/2 antiferromagnet at all temperatures
B. Bernu, L. Pierre, K. Essafi, L. Messio, Phys. Rev. B 101, 140403 (2020).

Dans ce projet, à la frontière de nos connaissances dans le domaine du magnétisme quantique, nous proposons d’étudier expérimentalement et théoriquement les propriétés des liquides de spins quantiques (LSQ) générés par la frustration des interactions magnétiques sur un réseau ordonné. Ce n’est que récemment que les progrès en chimie des matériaux ont permis de réaliser les tous premiers composés à géométrie kagomé (matériaux quasi-2D à réseau triangulaire avec sommets partagés), S=1/2, qui sont les meilleurs candidats pour sonder cette nouvelle physique de LSQ en dimension supérieure à 1. Malgré sa simplicité apparente, le modèle de Heisenberg antiferromagnétique proches voisins pour des spins localisés sur ce réseau s’est avéré être un des problèmes les plus ardus de la matière condensée. De nouvelles approches théoriques se développent et permettent à présent des confrontations avec les résultats expérimentaux, laissant augurer des progrès décisifs dans ce domaine dont les enjeux et intérêts scientifiques se situent clairement à l’échelle internationale.

Notre projet repose sur 4 axes complémentaires qui couvrent le triptyque matériaux-expérience-théorie au sein d’un même consortium :
(i) Réaliser la synthèse de monocristaux de haute qualité d’un composé dérivé de l’emblématique herbertsmithite permettant de contrôler quantitativement et caractériser à un stade sans précédent les défauts spontanés ou intentionnels, afin d’accéder aux propriétés intrinsèques de la physique kagomé.
(ii) révéler les propriétés physiques de composés récemment découverts dans le cadre de coopérations internationales, et qui, de par leurs caractéristiques différentes, ouvrent de nouvelles voies pour l’étude des LSQ.
(iii) explorer de nouvelles voies en synthèse des matériaux, en particulier le cas kagomé S=1peu exploré jusqu'à présent, sur la base d’idées originales de notre consortium.
(iv) sur le plan théorique, développer de nouvelles approches pour calculer les grandeurs thermodynamiques et les spectres dynamiques à basse température, un point crucial dans le domaine, et traiter le cas d’impuretés de spin S=0 ou S=1, en relation avec les points i), ii) et iii).

Les matériaux modèles sélectionnés, issus des méthodes de synthèse et cristallogenèse les plus avancées à l’échelle internationale et soigneusement caractérisés du point de vue physico-chimique et structural, seront étudiés en détails par une combinaison unique de techniques locales résonantes (résonance magnétique nucléaire, des muons) ou résolues dans l’espace réciproque avec la diffusion de neutrons inélastique. De plus, nous modifierons ces matériaux, soit par les conditions extérieures (pression, champ), soit par des variations chimiques bien maitrisées en suivant une stratégie « perturber pour révéler ». Ici les techniques locales sont primordiales par leur résolution spatiale.

Au-delà de collaborations internationales bien établies, l’idée centrale de notre projet est d’acquérir la maîtrise de toutes les étapes dans les études, depuis la conception des matériaux à leur synthèse et jusqu’à la théorie. Notre projet regroupe des chercheurs reconnus aux compétences complémentaires pour couvrir tous les domaines : Institut des Matériaux de Nantes et Institut de Chimie de la Matière Condensée à Bordeaux pour la synthèse et la croissance de cristaux, l’équipe d’Orsay (LPS) pour la RMN et la µSR, en étroite collaboration avec B. Fak (ILL Grenoble) pour la diffusion de neutrons, et les équipes théoriques du LPTMC, Paris et LPT, Toulouse qui développent une nouvelle collaboration dans le cadre de ce projet.

Nous projetons de publier nos résultats conjointement dans des revues internationales à fort impact. Nos études et notre thématique seront disséminées à différents niveaux depuis la participation à ou l’organisation de conférences internationales ou nationales jusqu’à des actions de vulgarisation de plus grande ampleur dirigées par J. Bobroff (« La physique autrement ») du LPS.