Magnétisme frustré Organisateurs : sylvain Petit (sylvain.petit@cea.fr) et Elsa Lhotel (elsa.lhotel@neel.cnrs.fr) Proposé par : DMC, DCPhys

La frustration magnétique, c'est à dire l'incapacité d'un système à satisfaire simultanément l'ensemble de ses interactions, fait l'objet de nombreuses recherches en physique de la matière condensée. Ce phénomène, qui peut être lié à la topologie du réseau cristallin ou aux compétitions entre interactions, constitue la source de nouveaux états exotiques de la matière, dont la description va au-delà du paradigme de Néel. On peut citer par exemple les liquides de spins, verres ou ré-entrants, glaces de spin, phases de Coulomb, états fragmentés, etc ... Ils sont le plus souvent accompagnés de spectres d'excitations composés de particules exotiques, éventuellement porteurs de nombres quantiques fractionnaires : spinons, fermions de Majorana ... En plus de nombreux travaux théoriques, cette thématique s'appuie sur des mesures à très basse température de la dynamique de spin, par RMN diffusion des neutrons et par les techniques macroscopiques, réalisées sur des systèmes cristallins bulk comme sur des systèmes artificiels. Programme:

16h30 : Fabien Alet (LPT Toulouse) : Magnétisme frustré : introduction et quelques exemples 17h00 : Julien Robert (Inst. Néel Grenoble) : Frustration magnétique et réseau pyrochlore 17h20 : Edwin Kermarrec (LPS Orsay) : Nouveaux états quantiques sur le réseau kagomé 17h40 : Yann Perrin (LETI Grenoble) : Exploration de phases magnétiques dans la glace carrée

artificielle 17h50 : Kirill Plekhanov (CPHT Palaiseau) : Chiral spin state in the frustrated spin-1/2 XY

model on the honeycomb lattice 18h00: Dalila Bounoua (ICMMO Orsay) : Dynamique de spin et de réseau dans le cuprate à

chaînes de spins ½ SrCuO2 substitué par une impureté de S=0 18h10 : Driss Farsal (Univ. Casablanca Maroc) : Anisotropic Ising model with competing

interactions in a magnetic field

O1 Congrès général SFP 2017

Magnétisme frustré : introduction et quelques exemples

F. Alet1 1 Laboratoire de Physique Théorique, IRSAMC, CNRS, Université Paul Sabatier, 118 Route de Narbonne, 31062 Toulouse, France

Les systèmes magnétiques frustrés mettent naturellement en jeu des interactions en

compétition et constituent un laboratoire idéal de l’étude de la complexité, et de l’émergence de

nouvelles solutions collectives. Leur étude requiert les efforts conjoints des chimistes, physiciens

expérimentateurs et théoriciens.

La frustration magnétique se comprend très intuitivement en regardant le problème classique

du triangle antiferromagnétique. Les fluctuations quantiques peuvent parfois résoudre ce

problème en choisissant un type d’ordre, parfois purement quantique, ou en n’en choisissant pas

du tout (liquide de spins).

Après une brève introduction au magnétisme frustré, nous essaierons de présenter une

sélection de questions ouvertes du domaine. Certaines anciennes (spins 1/2 sur le réseau

kagome, «preuve tangible» expérimentale des liquide de spins etc) sont toujours présentes,

d’autres nouvelles apparaissent (frustration et couplage spin-orbite, intrication à longue portée

etc) avec le raffinement des techniques de synthèse, des mesures expérimentales et des

concepts théoriques.

Si le temps le permet, nous évoquerons d’autres systèmes physiques où les concepts et

modèles du magnétisme frustré peuvent être pertinents (glace de spin artificielle, atomes froids).

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Pour les colloques :Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017

Frustration magnétique et réseau pyrochlore

Julien Robert1 1 Institut Néel, CNRS/UGA UPR2940, 25 rue des Martyrs BP 166, 38042 Grenoble cedex 9

La matière condensée est un domaine propice à l’apparition de phénomènes complexes trouvant souvent leur origine dans des ingrédients pourtant très simples (tels que la présence de fortes corrélations électroniques ou encore des compétitions entre différents degrés de liberté). Il arrive notamment que certains modèles puissent se calquer sur d’autres appartenant pourtant à des pans de la physique très différents. La frustration magnétique offre dans ce cadre un terrain très fertile à l’apparition d’états magnétiques inhabituels, ne pouvant être caractérisés par aucun paramètre d’ordre local. Cette frustration, de manière très générale, correspond à un état d’insatisfaction caractérisé par la propagation d’informations pouvant être contradictoires. Dans le cas des systèmes qui nous intéressent ici, elle est due à leur incapacité à minimiser simultanément toutes les énergies d’interaction individuelles, menant ainsi généralement à la présence de multiples états minimisant l’énergie. Les fluctuations thermiques et quantiques jouent ainsi un rôle fondamental dans la compréhension et la description de tels états. Au cours de cette présentation, nous nous intéresserons en particulier au cas du réseau pyrochlore, qui a été au coeur des études effectuées dans ce domaine au cours des dernières décennies. Sa structure cristalline (réseau de tétraèdres connectés par leur sommets), hautement symétrique, en fait un système aux ingrédients très simples et se retrouve par ailleurs très souvent stabilisée dans la matière. En confrontant prédictions théoriques et résultats expérimentaux, nous nous intéresserons ici aux types d’états magnétiques que peut générer une telle structure, allant d’états magnétiques ordonnés à des liquides de spins (tels que les phases de Coulomb, dont les particules élémentaires sont des charges magnétiques effectives). Nous montrerons finalement que ces deux types d’états (ordonnés et désordonnés) peuvent aussi coexister au sein d’un même système, et être partagés par un même et unique degré de liberté (fragmentation magnétique).

Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017

Nouveaux états quantiques sur le réseau kagomé

Edwin Kermarrec 1, Fabrice Bert 1, Philippe Mendels 1 1 Laboratoire de Physique des Solides, CNRS, Univ. Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Bât.510, Campus d’Orsay, 91400 Orsay France

Figure 1: (de gauche à droite) Cristaux du minéral herbertsmithite naturel (image principale) et

synthétique (insert), possédant un réseau kagomé formé par des ions Cu2+. Architecture intérieure du

centre Pompidou à Metz. Illustration d’études numériques récentes1 démontrant l’existence d’un état liquide

de spin aux corrélations algébriques pour un réseau kagomé de spin S=1/2.

Le motif géométrique kagomé fascine autant les artistes que les architectes, et orne souvent les

objets et monuments de notre quotidien (Fig.1). Il intrigue aussi particulièrement les physiciens, car

il remet en question nos savoirs fondamentaux, jusqu’à la définition même des états de la matière,

un sujet au cœur de la physique de la matière condensée actuelle2,3. L’enjeu principal est de pouvoir

répondre à une question en apparence simple : quelle est la nature de l’état magnétique d’un réseau

kagomé de spin quantique S = 1/2 en interaction antiferromagnétique ? Des études théoriques ont

établi qu’il s’agissait d’un état purement quantique sans brisure spontanée de symétrie, y compris

à T = 0, ou liquide de spin, mais ce n’est que depuis quelques années que des réalisations

expérimentales sont apparues4, permettant enfin de confronter théorie et expérience. Les mesures

par spectroscopies (RMN, µSR et diffusion de neutrons), menées en partie par notre équipe de

recherche au Laboratoire de Physique des Solides, sont cruciales pour déterminer la dynamique

des spins électroniques à basse énergie et démontrer l’existence d’un état quantique liquide de

spin.

Lors de cette présentation nous reviendrons sur les avancées marquantes de ces dernières

années dans le domaine, en soulignant les contributions de la communauté française du

magnétisme quantique sur le plan expérimental et également théorique.

1. H. J. Liao et al., Gapless Spin-Liquid Ground State in the S=1/2 Kagome Antiferromagnet, Phys. Rev. Let t .118 , 137202 (2017) 2. F. Bert, P. Mendels, O, Cépas et C. Lhuillier , Quand la frustration rend plus dynamique: les liquides de spins quantiques, Reflets de la Physique 37, 4-11 (2013) 3. L. Balents, Spin liquids in frustrated magnets, Nature 464, 199 (2010) 4. P. A. Lee, An end to the drought of quantum spin liquids, Science 321, 1306 (2008)

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Pour les colloques : Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017

Exploration de phases magnétiques dans la glace carrée artificielle

Y. Perrin1, N. Rougemaille2, B. Canals 32

1 DACLE, CEA-LETI, Grenoble, France 2 CNRS, Inst NEEL, F-38000 Grenoble, France

En physique, le phénomène de frustration apparaît en présence de forces en compétition

qui ne peuvent pas être simultanément satisfaites. Il existe de nombreux composés frustrés en

matière condensée, notamment ceux à base de terres rares comme Dy2TiO7 ou Ho2Ti2O [1].

Leur frustration engendre des propriétés magnétiques inhabituelles, comme une entropie

résiduelle ou des excitations analogues à des monopoles magnétiques [2]. Malheureusement, les

techniques expérimentales ne permettent pas de sonder chaque spin individuellement dans ces

composés.

Figure 1. a) Image de microscopie à force magnétique montrant un réseau carré dans un état de basse

énergie désordonné (surface 14 µm x 14 µm). b) Facteur de structure magnétique moyenné sur quatre

réalisations de a). c) Facteur de structure magnétique calculé pour un réseau parfaitement dégénéré dans

sa variété de basse énergie.

En 2006, Wang et al. ont proposé un nouvel objet d'étude pour la frustration magnétique [3].

Par lithographie électronique, il est possible de créer des réseaux de nanoaimants à géométrie

contrôlée. L'état de chaque aimant peut être résolu dans l'espace direct à température ambiante

grâce aux techniques d'imagerie magnétique (microscopie à force magnétique par exemple).

Cela permet d'étudier localement comment le système s'accommode de la frustration. Le réseau

carré de Wang et al. [3] est un analogue bidimensionnel des glaces de spin. Mais, pour des

raisons géométriques, il s'ordonne au lieu de présenter un état fondamental dégénéré.

Dans cette contribution, nous expliquerons comment rétablir la dégénérescence de l'état

fondamental du réseau carré de nanoaiamants. La figure 1a représente une image magnétique

expérimentale obtenue sur ce nouveau système. La comparaison entre les facteurs de structure

expérimentaux (fig. 1b) et théoriques (fig. 1c) montrent que le réseau expérimental présente des

corrélations très proches de celles attendues pour un modèle dégénéré idéal. Nos résultats

montrent l'apparition de points de pincement localisés dans des régions particulières de l'espace

réciproque. Cette étude fait un pas vers l'observation et l'étude d'une phase de coulomb dans les

réseaux de nanoaimants [4]. [1] M.J. Harris et al., Phys. Rev. Lett. 79, 2554 (1997). [2] C. Castelnovo et al., Nature 451, 7174 (2008). [3] R.F. Wang et al., Nature 439, 303 (2006). [4] Y. Perrin et al., Nature 540, 410 (2016).

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O1 Congrès général SFP 2017

Résumé pour la présentation orale du CG-SFP2017

Kirill Plekhanov1,2, Guillaume Roux1, Karyn Le Hur2

1 LPTMS, Université Paris-Sud, UMR 8626, 91405 Orsay Cedex, France2 CPHT, Ecole Polytechnique, UMR 7644, 91128 Palaiseau Cedex, France

Recently, it was argued that the frustrated XY model for spin-1/2 on the honeycomb lattice can support a chiral spin state suggested by Kalmeyer and Laughlin. The formation of this state is accompanied by a spontaneous breaking of time-reversal and parity symmetries and the ground state is characterized by the presence of a gapped bulk and gapless edge modes due to spinons (chargeless spin-1/2 quansiparticles), owing to a nontrivial Chern number. In this presentation we want to present our work on a numerical verification of the analytical predictions and reconstruction of the phase diagram of the frustrated XY model, based on the calculation of local order parameters, structure factors and scalar spin chirality, using the exact diagonalization technique.

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O1 Congrès général SFP 2017

Anisotropic Ising model with competing interactions in a magnetic field

D. Farsal¹, M. Snina¹, M. Badia² and M. Bennai1,3

¹Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Faculté des Sciences Ben M'sik, B.P. 7955, Université Hassan II de Casablanca, Maroc. ²Ecole Royale de l'air, Département de mécanique, DFST, B.P. 40002, Marrakech, Maroc. ³LPHE-Modélisation et Simulation, Faculté des Sciences Rabat, Université Mohamed V Rabat, Rabat, Maroc.

Abstract

We study the critical behavior of two-dimensional anisotropic Ising model on a square lattice by

the finite cluster approximation based on a single-site cluster theory and by Monte Carlo

techniques (MC). The aim of this study is to determine the phase diagram of the model and to

verify the existence of a divergence at null temperature which often appears in two-dimensional

systems. Finally, we will check the behavior of the specific magnetic heat as well as the

correlations of the model. Finally, we do a comparison between the finite cluster approximation,

the mean-field approximation, and the Monte Carlo method on the level of the phase diagram in

the plan (Jh/Tc , Jv/Tc) .

Keywords: Ising model, Monte Carlo simulation, Critical temperatures, Magnetic, Critical

phenomena.

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Figure 1: Gauche: Spectre d’excitations magnétiques centré à Q (1 0 0.5) montrant le pseudo-gap de spin à basse énergie et Droite: Phonon acoustique transverse et phason se propageant suivant Q(H 0 2) dans le composé La

0,01Sr

0,99CuO

2 à T=1,5K

Magnétisme frustré Congrès général SFP 2017

Dynamique de spin et de réseau dans le cuprate à chaînes de spins ½

SrCuO2 substitué par une impureté de S=0

Dalila BOUNOUA1, Romuald SAINT-MARTN1, Sylvain PETIT2, Françoise DAMAY², Yvan SIDIS2, Frédéric BOURDAROT3

, Loreynne PINSARD-GAUDART1,

1 Equipe Synthèse Propriétés et Modélisation des Matériaux, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux

d’Orsay. Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France

2 Laboratoire Léon Brillouin, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif sur Yvette, FRANCE.

3 INAC SPSMS, CEA and Université Joseph Fourier, F-38000 Grenoble, France

Nous nous intéressons à l’étude du

confinement des excitations magnétiques de

S= ½, les spinons, ainsi qu’à la propagation

des phonons, dans le cuprate quasi-1D

SrCuO2, lorsqu’il est substitué par des

impuretés de S=0. SrCuO2 comprend dans

sa structure des chaînes zigzag de cuivre

(S=½). Malgré la présence d’une interaction

ferromagnétique frustrée au sein des

chaînes, SrCuO2 se comporte comme un

composé à chaînes linéaires de spins ½

plutôt qu’un matériau à échelles de spins à

deux montants, et son spectre d’excitations

magnétique consiste en un continuum à

deux spinons1. Par ailleurs, SrCuO2

présente des propriétés de conduction thermique fortement anisotropes. Le transport de la

chaleur, dans la direction des chaînes de spins est balistique, et il s’effectue via la propagation

des phonons et des spinons2.

Afin de corréler les propriétés de transport à la propagation des quasi-particules mises en jeu

lors de ce processus, les spectres d’excitations magnétiques ainsi que les modes de phonons des

composés SrCuO2 pur et substitués : SrCu0.99M0.01O2 (M= Mg ou Zn, S=0) et La0.01Sr0.99CuO2

(La3+ créant des Cu+ (S=0) dans les chaînes) ont été mesurés par diffusion inélastique de

neutrons. L’introduction, intentionnelle, d’impuretés non-magnétiques sur le site du cuivre permet

de sonder les mécanismes d’interaction du type : spinons-défauts et phonons-défauts. On montre

qu’un taux de dopage de 1% suffit à modifier les spectres d’excitations magnétiques des

composés correspondants, en ouvrant un pseudo-gap de spin à basse énergie3. De même, on

met en évidence une interaction du type hôte-invité entre les chaînes substituées et le réseau

SrCuO2. Ces résultats nous permettent d’extraire une tendance générale de l’impact de la

substitution par une impureté de S=0 et de les relier aux propriétés de transports résultantes.

1. I.A. Zaliznyak, H. Woo, T.G. Perring,et al, Spinons in the Strongly Correlated Copper Oxide Chains in SrCuO2, Physical

Review Lettters 93, 087202 (2004).

2. N. Hlubek, P. Ribeiro, R. Saint-Martin et al., Ballistic heat transport of quantum spin excitations as seen in SrCuO2, Physical

Review B 81, 020405 (2010).

3. D. Bounoua, R. Saint-Martin, Petit et al., Impurity-induced spin pseudogap in doped SrCuO2 with (Mg, Zn, and La), Physical

Review B (submitted).

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