Effets des anisotropies de spins dans les oxydes de basse dimension
Résumé
The spin 1/2 magnetic oxides such as CuGeO3, SrCu2(BO3)2 and NaV2O5 raise many interesting questions as to the low-temperature phases, which are disordered by the quantum fluctuations. In this thesis, we study magnetic properties of these compounds in relation with experiments. In particular, unexpected results have been seen by two novel experimental techniques: the rotation of the polarisation in inelastic neutron scattering measurements and forbidden optical transitions. In order to explain these results, we needed to consider anisotropic spin interactions, such as the Dzyaloshinski-Moriya interaction. We studied the effects of such an interaction on quantum-disordered systems and explained the fine structure of the triplet excitation in SrCu2(BO3)2. The rotation effect of the polarisation is due to a magnetic-nuclear interference and is related to the anisotropy of the system. We found the selection rules with a perturbative calculation in the spin-phonon coupling and compared with experimental results. Similarly, we calculated the selection rules for optical transitions, considering not only the magnetic dipolar operator, but also the electric dipolar operator, thus generalising the Fleury-Loudon theory. The question of estimating the Dzyaloshinski-Moriya interaction, both static and dynamic, is revisited for the special geometry of these compounds within the superexchange theory. It is shown that such an interaction, in certain cases, can be as large as the exchange.
Les oxydes modeles de basse dimension, comme les composes de spins 1/2 CuGeO3, SrCu2(BO3)2 ou NaV2O5, soulevent de nombreuses questions sur la nature de l'anti-ferromagnetisme de la phase basse-temperature, desordonne par les fluctuations quantiques. Cette these porte sur la description theorique des proprietes magnetiques de ces composes, en lien avec les nombreux resultats experimentaux. En particulier, des resultats inattendus ont ete observes dans deux experiences originales : effet de rotation de la polarisation dans une experience de diffusion inelastique de neutrons et transitions optiques ``interdites''. Pour expliquer ces effets, nous avons ete amenes a considerer des interactions anisotropes entre spins comme l'interaction de Dzyaloshinski-Moriya. Nous avons etudie les effets de cette interaction dans les systemes quantiques sans ordre magnetique et explique la structure fine de l'excitation triplet observee dans SrCu2(BO3)2. L'effet de rotation de polarisation permet d'etudier les interferences entre excitations magnetiques et phonons et est intimement lie a la presence d'anisotropie. Nous avons etabli les regles de selection dans le cadre d'une theorie perturbative dans le couplage spin-phonon et compare avec les resultats experimentaux. De meme, nous avons etudie les regles de selection des transitions optiques, en examinant non seulement l'effet de l'operateur dipolaire magnetique, mais aussi celui de l'operateur dipolaire electrique en generalisant la theorie de Fleury-Loudon. L'ordre de grandeur de l'interaction de Dzyaloshinski-Moriya - statique et dynamique - a ete reconsidere pour la geométrie de ces composes sur la base de la theorie du superechange. Nous avons montre qu'elle pouvait devenir, de facon etonnante a priori, plus grande que l'echange principal.