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Localisation des bosons dans les systèmes de spins désordonnés – BOLODISS

Localisation des bosons dans les systèmes de spins désordonnés

Réunir les expériences par résonance magnétique nucléaire (RMN) et des méthodes théoriques numériques avancées pour comprendre la nature microscopique de la phase « verre de Bose » dans l'un de ses très rares représentants de taille thermodynamique : DTN dopé au Br, un composé de spins quantiques antiferromagnétique désordonné.

Construire l’image microscopique du régime « verre de Bose » dans le composé DTN dopé

A l’aide d’informations microscopiques obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN) et des simulations numériques avancées, nous étudions la physique en œuvre dans les antiferro-aimants quantiques exhibant une condensation de Bose-Einstein (CBE), et en particulier les effets de désordre pouvant induire une localisation des excitations bosoniques : la phase verre de Bose. En s’appuyant sur nos précédentes études par RMN de deux systèmes modèles purs, NiCl2-4SC(NH2)2 (dit DTN) et (C7H10N)2CuBr4 (dit DIMPY) [Phys. Rev. Lett. 109, 177206 (2012); Ibid. 111, 106404 (2013)], nous étudions leurs versions dopées. Les données RMN sur la distribution de polarisation de spins et sur leurs fluctuations, confrontées avec des résultats théoriques obtenus par des simulations Monte Carlo Quantique (QMC) et Groupe de Renormalisation de la Matrice Densité (DMRG) dans sa version « Matrix Product States » (MPS), nous permet d’établir une image microscopique des effets du désordre et de la dynamique du verre de Bose, et éventuellement d'observer la transition de localisation des bosons en interaction.

La Résonance magnétique Nucléaire (RMN) est une sonde locale microscopique particulièrement adaptée à l’étude des phénomènes induits sous champ en magnétisme quantique. A partir des spectres RMN on peut obtenir des informations statiques (moyennées dans le temps) des polarisations locales de spin. Dans les cas favorables, on peut même résoudre la polarisation individuelle des spins autour d’une impureté. Les mesures du taux de relaxation spin-réseau, 1/T1, donnent accès à la dynamique de spin à basse énergie ; on peut ainsi obtenir une mesure quantitative des fonctions de corrélations transverse <S+S-> et longitudinale <SzSz>. On peut également détecter l’inhomogénéité spatiale de la dynamique de spin, qui est une signature des systèmes désordonnés.
En l’absence de frustration, des simulations avancées de Monte Carlo Quantique (QMC) constituent la meilleure technique pour obtenir des informations exactes sur les propriétés statiques (polarisations locales de spin, paramètres d’ordre, température critique) d’un système de spins de dimension quelconque. Le Groupe de Renormalisation de la Matrice Densité (DMRG) est particulièrement adapté à l’étude des systèmes 1D, et le formalisme MPS permet d’étudier les propriétés dynamiques, comme le taux de relaxation RMN 1/T1.

L'analyse des résultats RMN sur le composé DTN pur a permis une première détermination de la valeur absolue du paramètre d'ordre dans la phase CBE (condensat de Bose-Einstein) [1]**. Les résultats ont été modélisés par simulations QMC et MPS/DMRG, et comparés avec les descriptions analytiques approximatives pour discuter leur validité [6]. Des résultats théoriques sur la dynamique à 1D ont posé de nouvelles bases à l’interprétation expérimentale de 1/T1 dans les systèmes quasi-1D [5].
Le travail expérimental a été focalisé sur le DTN dopé au Br. Par la mesure RMN de 1/T1 nous avons observé et caractérisé un pic de fluctuations de spins à un champ H* = 13.6 T, attribué au croisement des niveaux d'énergie (en fonction du champ) des états très localisés sur les dopants [7]. La modélisation théorique a permis la construction de l’Hamiltonien effectif du system, permettant les études théoriques de son comportement dans la limite de température nulle. Nous avons ainsi découvert que la phase verre de Bose (VB) est remplacé à proximité de H* par une phase ordonnée de type «CBE*« (inhomogène), une nouvelle phase de type «ordre par désordre« [8]. En fait, trois phases consécutives de ce type sont séparées par les secteurs de VB à bas dopage, tandis qu'ils recouvrent complètement la phase VB à haut dopage [10].
Les premières mesures de 1/T1 effectuées à très haut champ magnétiques, jusqu'à 29 T et à 0.75 K, sur le composé DIMPY ont été analysées dans le cadre de la description 1D de Liquide de Tomonaga-Luttinger, permettant l'établissement d'un critère expérimental direct, par la RMN, sur la nature des interactions dans les systèmes des spins quantiques - attractive ou répulsive [3]. Dans la phase CBE de DIMPY nous avons aussi observé un nouveau crossover à très basse température [9] et proposé sa description théorique [4].
**Références: voir plus bas dans «Productions scientifiques«

La synergie entre les expériences par RMN et les simulations numériques avancées dans l'étude du composé DTN dopé au brome a permis la découverte d'une nouvelle phase de type «ordre par désordre« induite par champ magnétique ; c'est la phase «CBE*« induite par des impuretés, complètement ordonnée bien que inhomogène, qui recouvre partiellement ou complètement ce qui était auparavant supposé être exclusivement le régime verre de Bose localisé [7,8,10]. Le diagramme de phase théorique correspondant, pour DTN fortement dopé, est accessible aux expériences, et il est actuellement comparé aux valeurs de Tc expérimentales, déterminées par la RMN dans l'échantillon du DTN dopé à 13%. Cette dernière série d’expériences apportera la confirmation définitive pour l'existence de la nouvelle phase BEC*. Les efforts théoriques supplémentaires seront axés sur les détails du comportement critique du DTN dopé, afin de résoudre la contradiction actuelle entre la valeur expérimentale apparente et celle généralement attendue théoriquement de l'exposant définissant la transition entre les phases superfluide et verre de Bose à proximité des champs critiques.

1. R. Blinder, Étude par Résonance Magnétique Nucléaire de nouveaux états quantiques induits sous champ magnétique : condensation de Bose-Einstein dans le composé DTN, Ph.D thesis, Université Grenoble Alpes, 2015, tel.archives-ouvertes.fr/tel-01235600.
2. N. Laflorencie, Physics Report 643, 1-59 (2016).
3. M. Jeong, D. Schmidiger, H. Mayaffre, M. Klanjšek, C. Berthier, W. Knafo, G. Ballon, B. Vignolle, S. Krämer, A. Zheludev, and M. Horvatic, Phys. Rev. Lett. 117, 106402 (2016).
4. S. C. Furuya, M. Dupont, S. Capponi, N. Laflorencie, and T. Giamarchi, Phys. Rev. B 94, 144403 (2016).
5. M. Dupont, S. Capponi, N. Laflorencie, Phys. Rev. B 94, 144409 (2016), Editors' Suggestion.
6. R. Blinder, M. Dupont, S. Mukhopadhyay, M. S. Grbic, N. Laflorencie, S. Capponi, H. Mayaffre, C. Berthier, A. Paduan-Filho, and M. Horvatic, Phys. Rev. B 95, 020404(R) (2017), Editors' Suggestion.
7. A. Orlova, R. Blinder, E. Kermarrec, M. Dupont, N. Laflorencie, S. Capponi, H. Mayaffre, C. Berthier, A. Paduan-Filho, and M. Horvatic, Phys. Rev. Lett. 118, 067203 (2017).
8. M. Dupont, S. Capponi, and N. Laflorencie, Phys. Rev. Lett. 118, 067204 (2017).
9. M. Jeong, H. Mayaffre, C. Berthier, D. Schmidiger, A. Zheludev, and M. Horvatic, Phys. Rev. Lett. 118, 167206 (2017).
10. M. Dupont, S. Capponi, M. Horvatic, N. Laflorencie, Phys. Rev. B, in press (2017), arXiv:1705.07166.
11. Elmer V. H. Doggen, Gabriel Lemarié, Sylvain Capponi, and Nicolas Laflorencie, preprint arXiv:1704.02257.

Confrontant des informations microscopiques obtenues par la résonance magnétique nucléaire (RMN) et des simulations numériques avancées, nous étudierons la physique des systèmes de spins quantiques antiferromagnétiques exhibant une condensation de Bose-Einstein (CBE), notamment les effets de désordre pouvant induire une localisation des excitations bosoniques : la phase « verre de Bose »

Dans les systèmes de spins quantiques (SSQ), qui sont d’excellents modèles pour la physique des systèmes à n-corps fortement corrélés, le nombre de particules (obéissant à une statistique de bosons de cœur dur) est facilement contrôlé par l’application d'un champ magnétique. Les meilleures techniques microscopiques pour étudier ces composés isolants, décrits par un Hamiltonien effectif de spins, sont les neutrons et la RMN, cette dernière étant la seule permettant d’accéder aux champs les plus intenses. La RMN permet une mesure directe des excitations de très basse énergie, et dans les systèmes désordonnés les spectres RMN reflètent la distribution de la polarisation locale de spin. L’étude des SSQ a été une activité dominante dans le groupe RMN du LNCMI-Grenoble et, en collaboration avec les théoriciens, des avancées majeures ont été obtenues dans certains composés modèles : i) la détermination de sur-structures de spins dans les plateaux d’aimantation de SrCu2(BO3)2, ii) la vérification du modèle de Liquide de Luttinger dans l’échelle de spin (C5H12N)2CuBr4 (BPCB), et iii) la première caractérisation de la dynamique de spin au voisinage d’un point critique quantique et de ses lois d’échelles dans BPCB et NiCl24SC(NH2)2, (DTN). Citons encore le composé BaCuSi2O6 (Pourpre de Han), d’abord considéré comme l’archétype de la CBE 2D, qui s’est révélé beaucoup plus complexe et a stimulé la description théorique d’une nouvelle phase, superfluide sans condensât. La synergie entre les mesures RMN et les descriptions par le groupe théorique du LPT Toulouse, à la base de cette étude, constitue le fondement de la collaboration entre les deux partenaires du présent projet.

Basé sur notre expérience des composés purs, le projet s’attaque à des problèmes totalement nouveaux dans les SSQ ; l’objet principal de l’étude est la phase verre de Bose adjacente à une phase CBE inhomogène lorsque l’on introduit des impuretés dans le système, récemment décrite dans une publication basée sur des mesures macroscopiques dans DTN dopé au Br [Nature 489, 379 (2012)]. Cette publication contient des prédictions sur la structure microscopique de ces phases que nous vérifierons par RMN. Nous suivrons également la modification de la dynamique de spin (critique) liée au dopage. Des mesures RMN comparatives pourront être effectuées dans un système apparenté, BPCB dopé au Cl.

Les études précédentes des SSQ ont été effectuées sur de systèmes présentant une interaction répulsive entre les quasi-particules. Seul un représentant du régime d’interaction attractive a été identifié récemment, à savoir l’échelle de spin (C7H10N)2CuBr4 (DIMPY), et nos résultats RMN ont directement confirmé ce comportement. Par rapport aux autres SSQ, la réponse de ce système au dopage par des impuretés non-magnétiques est caractérisée par une longueur de corrélation plus grande, facilitant les études RMN des effets du désordre. DIMPY dopé au Zn sera étudié notamment au voisinage du champ critique, où le désordre induit des effets non-conventionnels.

Le grand intérêt des questions fondamentales soulevées dans ce projet porte sur les états bosoniques non-conventionnels de la matière. Dans ce contexte, en constante interaction avec les expériences RMN, plusieurs problèmes théoriques seront abordés, et plus particulièrement :
i) la nature microscopique du verre de Bose, et le rôle des « crossovers » dimensionnels dans un milieu désordonné.
ii) La réponse dynamique dans les SSQ, en particulier dans l’état verre de Bose, avec l’observation éventuelle d’une transition de localisation en présence d’interactions.

Coordinateur du projet

Monsieur Mladen Horvatic (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LNCMI Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses
LPT Laboratoire de Physique Théorique, IRSAMC, Université Paul Sabatier

Aide de l'ANR 249 972 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2014 - 36 Mois

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