Le Magnétisme Frustré
Fig. 1: Une collection de réseaux géométriquement frustrés, en 2- et 3-dimensions.
Le thème principal de ma recherche est l’étude des matériaux magnétiques frustrés. La frustration magnétique est une compétition entre les différentes inter-actions magnétiques dans un système qui peut éventuellement stabiliser des états fondamentaux exotiques. Une façon importante de générer de la frustration est de travailler avec des réseaux de spins avec des géométries particulières, souvent à la base de motifs triangulaires (voir Fig. 1). En bref, deux interactions antiferro-magnétiques sur un triangle de spins peuvent être satisfaites, mais la troisième reste frustrée. Alternativement, en trois dimensions, des tétraèdres, par exemple dans le réseau pyrochlore, peuvent aussi créer de la frustration géométrique.
Plus intéressants que les aimants ferro-magnétiques que l'on colle au réfrigérateur et dans lesquels tous les spins sont orientés dans le même sens, les aimants frustrés peuvent présenter des configurations de spins très atypiques. Par exemple, dans les systèmes classiques appelés “spin ice” (comme Ho2Ti2O7), les spins sont fortement frustrés et sont incapables de trouver un état ordonné même à très basse température. Ces systèmes gardent donc une entropie résiduelle et une configuration de spins désordonnée qui est analogue à la configuration des liaisons hydrogène dans la glace [2]. Leurs excitations magnétiques élémentaires peuvent être décrites comme des monopoles magnétiques, ce qui donne lieu à de nombreuses propriétés exotiques [3].
La combinaison de désordre et frustration peut causer un autre phénomène appelé verre de spin. Comme la structure amorphe et désordonnée de la silice vitreuse, l’état fondamental d’un verre de spin comprend des spins avec des orientations aléatoires mais gelés en place [4]. Plusieurs états exotiques mais ordonnés peuvent aussi se produire dans des systèmes frustrés et certains d’entre eux sont des matériaux multiferroïques, des systèmes avec des interactions importantes entre le magnétisme et la polarisation électrique, ou d’autres paramètres d’ordre [5].
Fig. 2: Une impression artistique d'un liquide de spin quantique et des spinons déconfinés. Le véritable objet serait une superposition de plusieurs configurations de singulets comme celui-ci.
Les aimants frustrés qui possèdent un nombre quantique de spin réduit, par exemple S = 1/2, incluent des fluctuations quantiques importantes. Dans ce cas, il existe la possibilité de trouver des liquides de spin quantiques: des états fonda-mentaux quantiques et intriqués à longue portée mais sans symétrie brisée (i.e. sans ordre magnétique) [6]. Ces états peuvent être considérés comme étant des superpositions de différentes configur-ations de liens de valence, ou singulets. Il est prédit que ces liquides de spin vont présenter des excitations exotiques et fractionnées, par exemple des spinons déconfinés avec nombre quantique S = 1/2. Pour comprendre l’étrangeté de ces objets, essayez d’imaginer une façon de renverser des spins pour changer le nombre de spin total par 1/2 au lieu d’une valeur entière. Il existe actuellement plusieurs matériaux qui sont candidats au phénomène de liquide de spin quantique, mais il faut des études détaillées pour confirmer cette possibilité.
Références suggérées: