Ecouter les monopoles magnétiques: excitations magnétiques dans les glaces de spins et relation fluctuation-dissipation – ListenMonopoles

Pour réussir ce projet, un challenge technologique doit être réalisé: le développement d'une expérience de mesure de bruit magnétique, capable de mesurer les fluctuations magnétiques jusqu'à très basse température (typiquement 50 mK). Un tel développement expérimental est difficile parce que toute perturbation extérieure (vibrations, perturbation électromagnétique) doit être contrôlée pour pouvoir extraire le signal. Cela est d'autant plus complexe que le système doit être refroidi dans un réfrigérateur 3He-4He pour atteindre des très basses températures, ce qui implique un système de pompage, de longs câbles et des efforts pour thermaliser l'échantillon. Pour y parvenir, nous nous appuyons sur notre expertise en mesures très sensibles à très basse température, ainsi que sur le travail de Ocio et al qui ont développé un système pour mesurer le bruit magnétique dans les verres de spins au-dessus de 4.2 K. Ce développement instrumental implique beaucoup de méthodologie et de précautions dans toutes les étapes de conception et de réalisation: détection à SQUID, porte-échantillon, écrantage électromagnétique, implémentation dans le réfrigérateur à dilution.
En ce qui concerne les calculs numériques, tous les outils nécessaires ont été développés par les théoriciens impliqués dans le projet. La clé est d'exploiter ces codes pour résoudre la dynamique des monopoles dans les glaces de spins à basse température. Une difficulté est que les temps de relaxation deviennent extrêmement longs à très basse température, lorsque l'on considère la dynamique réelle, celle des «single spin flips«. Deux classes d'algorithmes permettent de résoudre ce problème. Le monte carlo cinétique permet de simuler le comportement aux temps longs par un processus d'accélération du temps, sans modifier la dynamique réelle des monopoles. D'autre part, la dynamique stochastique peut être accélérée par des algorithmes de boucle, qui permettent d'accéder à la thermodynamique ultime de ces systèmes.

L'expérience de mesure du bruit magnétique est en cours de développement. Des résultats satisfaisants ont été obtenus pour le niveau de bruit des détecteurs SQUIDs. Les bobines de détection sont en cours de fabrication. La thermométrie du réfrigérateur à dilution a été étalonnée.
En parallèle, des mesures «conventionnelles« sur un magnétomètre à SQUID à très basse température ont été réalisées sur un nouveau candidat glace de spins, Ho2Ir2O7, dans lequel nous avons montré l'existence d'un nouvel état magnétique, un «état fragmenté«. La dynamique des monopoles a des caractéristiques différentes dans ce système, et nous espérons pouvoir le mesurer sur notre expérience de bruit magnétique quand elle sera opérationnelle.
Théoriquement, une étude numérique des propriétés hors équilibre des glaces de spins dans le cadre de la théorie fluctuation dissipation, et de sa violation a été réalisée par nos collaborateurs de Lyon et Montpellier. Le code numérique a été développé, en simulant le modèle «dumbbell« des glaces de spins, pour déterminer un jeu de quantités thermodynamiques au cours d'une trempe thermique entre 1 et environ 0.1 K, en utilisant les paramètres de la glace de spins Dy2Ti2O7. Pendant une telle trempe, la densité de monopoles magnétiques évolue rapidement avec le temps avant d'atteindre une concentration plateau, dont le temps de vie dépend exponentiellement de la température de base. Le plateau avait précédemment été identifié par Castelnovo et al. comme étant dû au piégeage des paires de monopoles non-contractibles. Les rapports fluctuations/dissipation obtenus sont linéaires pour l'énergie, la concentration de monopoles et l'aimantation. Pour l'énergie, la température effective est négative, indiquant un espace des phases contraint pour les fluctuations d'énergie. Pour les autres quantités, les températures effectives sont plus grandes que la température de base.

Expérimentalement, nous poursuivons le développement du dispositif de mesure de bruit magnétique à très basse température. Les prochaines étapes sont i) la finalisation des bobines de détection, leur connexion au SQUID, et le test du niveau de bruit atteint avec l'ensemble de ce système de détection. ii) l'implémentation du système de détection dans le réfrigérateur à dilution. iii) la mesure du bruit magnétique dans le composé glace de spins canonique Dy2Ti2O7. Un développement supplémentaire consistera à implémenter d'autres bobines de champ afin de réaliser le protocole d'«avalanche quench« qui permet de geler une grande densité de monopoles à basse température.
Théoriquement, nous continuons le travail sur diagramme de phase dans le modèle «dumbbell« en présence d'un potentiel chimique alterné qui brise la symétrie de translation pour le déplacement des monopoles. Le diagramme de phase général présente une forme ailée avec des transitions du premier ordre aboutissant à des lignes de point critiques terminaux. Nous envisageons des simulations sur le scaling Kibble-Zurek des fluctuations hors équilibre autour de ces points critiques. Ces travaux sont motivés par les expériences sur Ho2Ir2O7, mais sont aussi pertinents pour la glace de spins dans un champ selon [111].

Fragmentation in spin ice from magnetic charge injection
E. Lefrançois, V. Cathelin, E. Lhotel, J. Robert, P. Lejay, C. V. Colin, B. Canals, F. Damay, J. Ollivier, B. Fa°k, L. C. Chapon, R. Ballou, and V. Simonet, Nature Communications 8 (2017), 209.

La frustration géométrique dans le domaine du magnétisme est un challenge central de la physique de la matière condensée actuelle. Elle est à l'origine de nombreux états magnétiques exotiques dont la description reste un défi pour les théoriciens comme les expérimentateurs. Ces états magnétiques non conventionnels sont souvent induits par une dégénérescence de l'état fondamental, qui empêche la stabilisation des phases magnétiques habituelles et qui induit l'émergence d'excitations nouvelles. Dans ce contexte, l'étude des aimants frustrés appelés "glaces de spins" s'est fortement développée ces dernières années avec la découverte des monopoles magnétiques dans ces systèmes. Ces monopoles sont des excitations magnétiques qui se comportent comme des charges magnétiques car elle se déplacent sous l'effet d'un champ magnétique, de la même façon que le courant électrique peut être contrôlé par un champ électrique.
Ce projet vise à sonder les propriétés hors-équilibre dans les composés glaces de spins grâce à la mesure directe du bruit magnétique (ou fluctuations magnétiques) induit par le mouvement des monopoles magnétiques. Ces mesures permettront de déterminer pour la première fois et de façon précise les déviations à la relation fluctuation-dissipation dans les glaces de spins, et ainsi de caractériser quantitativement l'état hors-équilibre et la dynamique des monopoles à très basse température.
Pour ce faire, nous allons développer un dispositif expérimental unique afin de mesurer le bruit magnétique jusqu'à très basse température (50mK), et ce grâce à notre expertise dans les mesures fines magnétiques et de bruit, à très basse température. Pour atteindre la sensibilité nécessaire, nous utiliserons un SQUID comme détecteur. Un système soigneusement étudié de bobines de détection supraconductrices permettra de réaliser les mesures de bruit et de susceptibilité magnétique avec le même dispositif, rendant ainsi possible une comparaison directe entre les deux grandeurs.
La difficulté principale est de protéger ce système de détection très sensible des perturbations extérieures, ce qui nécessitera la mise en oeuvre de systèmes antivibrations, de filtres, et d'écrantage. Nous utiliserons tout d'abord ce dispositif pour mesurer les glaces de spins dipolaires canoniques Dy2Ti2O7 et Ho2Ti2O7 pour lesquels les propriétés à l'équilibre sont bien comprises et caractérisées.
Ce projet sera réalisé en forte collaboration avec des théoriciens spécialistes du magnétisme frustré et de la physique des systèmes hors-équilibre. Ils développent des codes Monte-Carlo cinétique avec des algorithmes locaux ou de boucles pour sonder le couplage entre la réponse magnétique et la dynamique des monopoles. Les glaces de spins sont des systèmes de choix pour réaliser de telles études hors-équilibre, car bien qu'elles manifestent des propriétés vitreuses, le Hamiltonien microscopique est bien défini, et contrairement au cas des verres de spins, la quantité de désordre dans le système est très faible. Une comparaison directe entre l'expérience et les modèles microscopiques pourra être réalisée, ouvrant ainsi une nouvelle porte dans la compréhension des systèmes hors-équilibre.
Pour réussir ce projet, nous demandons principalement le financement pour un doctorant qui travaillera sur le développement instrumental puis sur les mesures de bruit, ainsi que pour l'équipement nécessaire à la construction du dispositif expérimental.
Ces études sur les processus hors-équilibre dans le système bien maîtrisé que sont les glaces de spins apporteront un nouveau regard sur la physique des systèmes vitreux, ainsi qu'une nouvelle sonde originale des monopoles. Le projet permettra au PI de développer une nouvelle expertise expérimentale au sein de son laboratoire, les mesures de bruit magnétique à très basse température, une technique prometteuse pour sonder les fluctuations magnétiques dans d'autres systèmes comme les aimants quantiques ou les macro-molécules magnétiques.