Fragmentation des Moments en Magnetism Frustré – FRAGMENT

Dans les glaces de spins, les moments magnétiques sont décrits comme les éléments d'un champ électromagnétique émergent, susceptible de «fragmenter» en deux parties distinctes, de divergence nulle et de rotationnel nul, via une décomposition de Helmholtz. Le fragment de rotationnel nul décrit un fluide de défauts topologiques, plongé dans le champ émergent. Ces excitations, les «monopoles magnétiques», ont suscité un grand intérêt cette dernière décennie. Les moments étant de longueur fixe, le second fragment de divergence nulle existe quasiment toujours. C'est le concept de fragmentation, développé récemment par l'IP et ses collaborateurs.

Dans ce projet, nous explorerons les conséquences de la fragmentation, du point de vue expérimental et théorique, loin des paradigmes des matériaux magnétiques classiques. Les moments magnétiques dans les glaces de spin sont sur un réseau pyrochlore, et les monopoles occupent le réseau diamant dual. Le diagramme de phase complet du modèle en fonction de la température, du potentiel chimique des monopoles et du potentiel chimique alterné - qui rompt la symétrie de translation du réseau diamant - comporte cinq phases: la phase glace de spins, deux phases fragmentées reliées par symétrie de type «cristal de monopoles» et deux phases «cristal de doubles monopoles». Nos expériences récentes ont montré que les composés Ho2Ir2O7 et Nd2Zr2O7 sont tous deux dans la phase «cristal de monopoles». Le premier correspond au cas classique avec un potentiel chimique alterné fini, le second étant induit par des fluctuations quantiques.

Nous étudierons les effets des fluctuations quantiques sur la stabilité de ce diagramme de phase. La partie de divergence nulle dans la phase «cristal de monopoles» se décrit comme un ensemble de dimères de coeur dur, visible par les mesures magnétiques. L’observation d’un tel liquide de dimères quantiques permettra de révéler de nouvelles transitions de phase magnétiques quantiques.

Nous testerons la validité du diagramme de phases proposé dans des systèmes réels, en appliquant pressions physique et chimique. La pression change les interactions magnétiques effectives, modifiant le potentiel chimique et déplaçant le système dans l'espace des paramètres. En plus des cellules de pression fonctionnelles pour les mesures de chaleur spécifique, nous développerons une cellule à haute pression pour les expériences de diffusion neutronique, fonctionnant jusqu'à environ 100 mK. Nous mènerons ces expériences sur les iridates et zirconates, en cherchant lignes de transition et points critiques terminaux. La dynamique critique sera alors étudiée par des protocoles de type Kibble-Zurek et en suivant le ratio fluctuation-dissipation.

En parallèle des mesures sous pression, nous réaliserons un dopage chimique en remplaçant les ions iridium par des ions non magnétiques afin de simuler un changement global du potentiel chimique alterné. Nous doperons également les zirconates pour tester la robustesse de la phase induite par les fluctuations quantiques. Cet aspect ouvre un défi théorique sur l’effet du désordre chimique sur le diagramme de phase. Nous modéliserons le désordre chimique par un désordre du potentiel chimique alterné. Ce projet numérique, mené en constant échange avec les expérimentateurs, posera les bases d’une nouvelle approche des systèmes désordonnés.

Le consortium est idéalement qualifié pour mener à bien ce projet. Nous avons déjà apporté des contributions majeures dans ce domaine, tant du point théorique qu'expérimental. Nos expertises sont complémentaires: théorie classique et quantique, méthodes numériques pour les modèles quantiques et les systèmes désordonnés, expertise expérimentale en diffusion de neutrons, magnétométrie, chaleur spécifique et cryogénie. Pour mener à bien ce projet, nous demandons essentiellement le financement d’un étudiant en thèse pour les études numériques et d’un post-doc pour le développement de cellules de pression pour la neutronique.