Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS

Bât. 563 CEA Saclay

91191 Gif sur Yvette Cedex

France

llb-sec@cea.fr

18 janvier 2016
Fragmentation magnétique dans les glaces de spin
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La preuve de l’existence de quasiparticules fractionnaires est l’une des découvertes importantes de ces dernières années. Elles ont par exemple été mises en évidence dans les gaz d’électrons 2D où des expériences d’effet Hall montrent que le courant électrique observable peut être porté par des excitations électroniques élémentaires de charge fractionnaire e/3. De tels effets se rencontrent aussi dans les chaines de spin 1D, où les excitations de spin 1, appelées magnons, se scindent en deux "sous-particules" émergentes de spin 1/2. Une collaboration entre notre équipe du laboratoire Léon Brillouin, de l’Institut Néel et de l’Université de Warwick, a mis en évidence par diffusion de neutrons au sein d'une céramique Nd2Zr2O7, un nouvel effet de ce type, appelé  "fragmentation du spin".

 

 

A gauche : structure en tétraédrique de la céramique Nd2Zr2O7. A droite, l'ordre local des spins (Ice rule) : pour chaque tétraèdre, 2 spins pointent vers l'intérieur et 2 vers l'extérieur.

L'effet de fragmentation de spin a été observé dans Nd2Zr2O7, un matériau céramique transparent qui cristallise dans une structure pyrochlore, formée de tétraèdres jointifs par les sommets, et qui présente la particularité d'être un système magnétique frustré de type "glace de spin" [1]. Dans cette famille de composés, les moments magnétiques ou "spins" restent globalement désordonnés du fait de la très forte frustration. Ils présentent néanmoins un ordre local, où chaque tétraèdre, possède deux spins qui pointent vers l’intérieur et deux vers l’extérieur. Cette règle locale n’est autre que la loi de conservation du flux de l’électromagnétisme. Sous l’effet des fluctuations quantiques, des défauts à cette règle locale "émergent", se créent et s’annihilent sans cesse. En décomposant l'ordre magnétique observé, chaque spin peut alors être scindé en deux composantes : une composante cristallisée par les interactions résiduelles entre défauts à très basse température (285 mK), et une autre fluctuante, permettant de gagner de l’entropie. Ce phénomène se prête bien à l’observation par diffusion des neutrons, un outil d’investigation irremplaçable en magnétisme : la fraction du spin cristallisé donne lieu à une structure magnétique spécifique (pics de Bragg). La composante non ordonnée se retrouve dans le fond diffus magnétique (figure ci-dessous) [2].

 

Cette observation et interprétation est l’illustration d’une théorie récemment proposée [3], basée sur la décomposition de Helmoltz du champ électromagnétique émergent (décomposition en la somme du gradient d'un potentiel scalaire et le rotationnel d'un potentiel vecteur). Cette décomposition sépare la partie divergente du champ, de l'autre composante qui porte la partie sans divergence (ici la composante désordonnée). Ce concept classique est couramment utilisé pour analyser des flux de matière en géophysique, la turbulence, en robotique voire même pour analyser les dessins d’animation ! Ici, la décomposition s’applique au champ "émergent" plutôt qu’à un champ classique. Ces expériences permettent ainsi de donner corps à ces notions, en montrant que ce champ électromagnétique émergent n’en est pas moins "réel". Elles soulignent enfin l’importance des effets quantiques qui devront être pris en compte dans de futures théories et ouvrent une nouvelle voie dans l’étude des systèmes magnétiques frustrés.

 

 

Ordre magnétique

En haut, carte de la diffusion magnétique dans l’espace réciproque, mesurée par diffusion des neutrons. Les pics de Bragg associés à la structure adoptée par le fragment ordonné apparaissent sous forme de spots ; le second fragment donne lieu à une diffusion diffuse composée de bras dans les directions (00l) et (111). Les flèches bleues indiquent une caractéristique importance de cette diffusion diffuse, en l’occurrence des "points de pincement" typiques de la loi de conservation du flux. Les campagnes de mesures ont été menées pour partie à l’Institut Laue Langevin (Grenoble) et pour partie au LLB-Orphée (Saclay). En bas, carte obtenue par simulation numérique [2].
 

[1] Fluctuations and all-in−all-out ordering in dipole-octupole Nd2Zr2O7
E. Lhotel, S. Petit, S. Guitteny, O. Florea, M. Ciomaga Hatnean, C. Colin, E. Ressouche, M. R. Lees, G. Balakrishnan, Phys. Rev. Lett. 115, 197202 (2015)
arXiv:1507.01801v1 [cond-mat.str-el].

[2] Observation of magnetic fragmentation in spin ice,
S. Petit, E. Lhotel, B. Canals, M. Ciomaga Hatnean, J. Ollivier, H. Mutka, E. Ressouche, A. R.Wildes, M. R. Lees and G. Balakrishnan,
Nature Physics (2016), published on line.

[3] Magnetic-moment fragmentation and monopole crystallization,
M. E. Brooks-Bartlett, S. T. Banks, L. D. C. Jaubert, A. Harman-Clarke, and P. C. W. Holdsworth, Phys. Rev. X 4, 011007 (2014).


Contact CEA-IRAMIS : Sylvain Petit (Laboratoire Léon Brillouin / Groupe-3 axes)

Contact Institut Néel : Elsa Lhotel.(Magnétisme et supraconductivité- MagSup)

Collaboration :

  1. Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS UMR 12, CE-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
  2. CNRS, Institut NEEL, et Univ. Grenoble Alpes F-38000 Grenoble, France
  3. Department of Physics, University of Warwick, Coventry, CV4 7AL, United Kingdom
  4. INAC SPSMS, CEA and Université Joseph Fourier, F-38000 Grenoble, France
 

Maj : 07/04/2016 (2560)

 

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