Geometric frustration, phase transition and dynamic order

Frustration géométrique, transitions de phase et ordre dynamique

Yann Chapuis (1)

1 SPSMS - UMR 9001 - Service de Physique Statistique, Magnétisme et Supraconductivité

This PhD thesis is about geometrically frustrated magnetic materials which crystallise in the pyrochlore structure, made of corner sharing regular tetrahedra. Firstly, we show that the growth of the spin liquid Tb2Ti2O7 presents many difficulties: some physical properties are sample dependent. Anyhow, two characteristic temperatures (2 and 50 K) are deduced by different experimental techniques, irrespective of the sample. Then, about the ordered spin ice Tb2Sn2O7, the study of spin dynamics suggests the existence of a complex relaxation mechanism, characterized by several fluctuation times. One of them is t = 10^{-10} s. Microscopic and macroscopic measurements carried out on these two compounds show that the lowest two crystal field levels are singlets, and they are separated by an energy of about 2 K. About the XY antiferromagnet Er2Ti2O7, some results suggest the existence of excitations, responsible for low temperature spin dynamics. Finally, there are inconsistencies between the interpretation of some experimental results about the existence of a low temperature spin dynamics in the Heisenberg antiferromagnet Gd2Sn2O7.

Cette thèse traite de composés magnétiques géométriquement frustrés, cristallisant dans la structure pyrochlore, c'est-à-dire un arrangement tri-dimensionnel de tétraèdres reliés entre eux par leurs sommets. Tout d'abord, on montre que le liquide de spins Tb2Ti2O7 pose un certain nombre de difficultés quant à sa fabrication, certaines propriétés physiques mesurées étant très dépendantes des conditions de croissance. Cependant, deux températures caractéristiques, indépendantes des échantillons, à 2 et 50 K, ont pu être mises en évidence par différentes techniques expérimentales, et ce, sur différents échantillons. Ensuite, l'étude de la dynamique de spins dans Tb2Sn2O7, une glace de spins ordonnée, suggère l'existence d'un mécanisme complexe, caractérisé par plusieurs temps de fluctuations, dont l'un est de l'ordre de 10^{-10} s. Pour ces deux composés, il est montré, par des mesures microscopiques mais également macroscopiques, que les niveaux de champ cristallin de plus basse énergie sont deux singulets, séparés d'environ 2 K, et non un doublet comme généralement admis. Concernant l'étude du composé antiferromagnétique Er2Ti2O7 de symétrie XY, certaines mesures suggèrent une dynamique de spins à basse température, conséquence d'excitations. Enfin, l'analyse des résultats obtenus pour le composé antiferromagnétique Heisenberg Gd2Sn2O7 met en évidence des contradictions concernant l'existence ou non d'une dynamique de spins à basse température.

Mots clés: magnetism; geometrical frustration; pyrochlore structure; spin liquid; spin ice; spin dynamics

Mots clés: magnétisme; frustration géométrique; structure pyrochlore; liquide de spins; glace de spins; dynamique de spins

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]

Yann Chapuis. Frustration géométrique, transitions de phase et ordre dynamique. Matière Condensée [cond-mat]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00463643⟩