Liquides de spins quantiques: états fondamentaux, impuretés et excitations – ULTIMAT

L’état liquide de spin est au centre des recherches actuelles en magnétisme quantique. Malgré de fortes interactions, les spins ne se gèlent pas à basse température mais réalisent un état désordonné intriqué à longue portée caractérisé par des excitations fractionnaires telles que des spinons au lieu des ondes de spin conventionnelles. Cet état est bien connu pour les chaînes de spins 1/2 antiferromagnétiques, mais bien moins compris à plus hautes dimensions où la physique est plus riche, stimulant de nouveaux concepts et de potentielles applications de ces systèmes quantiques. Suite à la découverte récente de nouveaux composés, l'objectif de ce projet est d'étudier ces matériaux quantiques frustrés, à réseau kagome, qui sont parmi les meilleurs candidats pour cette physique. Nous nous concentrerons sur leurs excitations de basses énergies qui révèlent la nature de l'état fondamental ainsi que sur l’influence des perturbations par rapport aux modèles idéaux. En effet, en raison de la frustration, de nombreux états quantiques entrent en compétition dans une faible gamme d'énergie, et les perturbations sont susceptibles de sélectionner l'état fondamental réalisé dans un matériau donné. Ces perturbations se traduisent par un changement du modèle d'interactions magnétiques, qui peut être local, si induit par des impuretés, ou global, si contrôlé par les symétries cristallines ou des paramètres extérieurs.
Notre premier objectif est l’étude des états fondamentaux et des excitations de nouveaux matériaux à réseau kagome, candidats liquides de spin tels que l'averievite dopée au Zn et le composé sans impureté Y-kapellasite sous pression. Le deuxième objectif est l’étude du rôle des perturbations, internes ou externes, sur le comportement liquide de spin. Cette étude comprend la réponse aux défauts que nous caractériserons principalement par résonance magnétique nucléaire dans l'averievite dopée au Zn et l'herbertsmithite, et modéliserons à l'aide d'outils théoriques avancés. Les effets de la pression et du champ magnétique seront également étudiés, en particulier en tant que perturbations de l'état fondamental fragile des composés Y-kapellasite. Nous proposons d'aborder ces objectifs en utilisant principalement des techniques locales de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou quadrupolaire, avec en complément la spectroscopie de spin muonique et la diffusion inélastique des neutrons, sur une sélection de matériaux. La RMN permet de séparer les différentes contributions magnétiques et est donc particulièrement bien adaptée aux systèmes spatialement inhomogènes. Elle permet ainsi de déterminer la susceptibilité intrinsèque dans les candidats liquide de spin, où la contribution d'impuretés, même en très faible proportion, fausse les mesures macroscopiques à basse température. Par les mesures de relaxation, la RMN permet aussi de mesurer avec une sensibilité inégalée la présence de gap dans les excitations. Le troisième objectif est de développer des approches théoriques pertinentes pour décrire ces états liquide de spins et leurs perturbations, en particulier la méthode entropique pour extrapoler les développements en série haute température. Cette méthode entropique est particulièrement utile pour les candidats liquides de spin sans ordre à longue portée, où les interactions ne peuvent pas être obtenues par l'analyse des ondes de spin. Nous effectuerons également des simulations Monte Carlo pour étudier, en particulier, l'effet de changement dimensionnel induit par les défauts sur les modèles de spin frustrés.