NMR and MuSR study of highly frustrated magnets with kagomé bilayer geometry
Etude par RMN et MuSR des composés antiferromagnétiques fortement frustrés à géométrie de bicouches kagomé
Résumé
The frustration of antiferromagnetic interactions are responsible for a spin liquid ground state in the Heisenberg kagomé compounds. It is probably described by an RVB state, early proposed by Anderson in 1973 in antiferromagnetic triangular networks and further on cuprates. The macroscopic degeneracy of the low lying singlet states inside the spin gap to the triplet state yield very intersting low-T behaviours. Only few experimental compounds are close to the ideal one today since small perturbations may lift this degenaracy when T->0. An NMR, MuSR and SQUID study has been performed on the S=3/2 kagomé bilayers Ba2Sn2ZnGa10-7pCr7pO22 and SrCr9pGa12-9pO19, considered as archetypes of Heisenberg 2D frustrated magnets. Because of the frustration of the interactions, a transition temperature Tg~2 K is measured only well below the Curie-Weiss temperature. Very close magnetic properties in both systems are found despite different kinds of defects, which underly the intrinsic behavior of the geometry: - the susceptibility decreases below 45 K (NMR). Its analysis shows that the magnetic correlations remain short ranged, at least for T>10 K, despite strong antiferromagnetic interactions (thetaCW~250 K). This maximum is also consistent with the existence of a spin gap; - spin fluctuations are measured down to 30 mK, much lower than Tg using MuSR and suggest a fluctuating state; - this T independent fluctuating state only appears below the spin glass like transition. A phenomenological approach of the muon relaxation is presented for the first time in theses systems and suggests the existence of a RVB state below Tg.
Dans les composés antiferromagnétiques Heisenberg à géométrie kagomé, la frustration des interactions est à l'origine d'un état liquide de spins à T=0. Un état RVB, originalement proposé par Anderson dans les réseaux triangulaires puis dans les cuprates, décrit probablement ce fondamental, dont l'état singulet est dégénéré exponentiellement dans un faible gap singulet-triplet. Peu de composés expérimentaux se rapprochent aujourd'hui du système idéal et l'existence de perturbations ou d'anisotropie lève souvent la dégénérescence du fondamental lorsque T->0. Une étude par RMN, MuSR et SQUID, a été réalisée dans les composés à géométrie de bicouches kagomé de spin 3/2, Ba2Sn2ZnGa10-7pCr7pO22 et SrCr9pGa12-9pO19, considérés comme les archétypes d'un hamiltonien de spins purement Heisenberg sur un réseau kagomé. Outre l'absence caractéristique de transition jusqu'à une température Tg~2 K bien plus basse que la température de Curie-Weiss thetaCW~250 K, des propriétés physiques semblables dans ces deux systèmes sont mesurées malgré des défauts radicalement différent. Les propriétés intrinsèques de cette géométrie en sont déduites, à savoir: - une décroissance de la susceptibilité en dessous de 45 K (RMN) interprétée par de très faibles longueurs de corrélations magnétiques, au moins pour T>10 K, malgré les fortes interactions antiferromagnétiques (thetaCW~250 K). Ce maximum de la susceptibilité reste compatible avec l'existence d'un gap de spin; - l'existence de fluctuations quantiques pour T>30 mK, beaucoup plus bas que Tg (MuSR); - la corrélation entre l'apparition de ces fluctuations et celle d'un état de type verre de spin à Tg. Un modèle phénoménologique décrivant la relaxation des muons est présenté, pour la première fois dans ces systèmes, et suggère la stabilisation d'un état de type RVB en dessous de Tg.
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