Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS, Bât. 563 CEA Saclay

91191 Gif sur Yvette Cedex, France


BD diffusons les neutrons

We show by X-ray and neutron small-angle scattering that gold nanoparticles with controlled sizes and morphologies can be obtained by the metallic reduction of AuCl4 ions trapped in 3D organic molds by X-ray radiolysis. The molds are spherical frozen micelles of polystyrene-b-poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PS-b-PDMAEMA) block copolymer in acidic aqueous solution with a PS spherical core surrounded by a corona of PDMAEMA chains in good solvent. The behavior of micelles is controlled by the [AuCl4]/[DMAEMA] ratio RAuCl4/DMAEMA. At low gold concentration, AuCl4 ions condense on the positively charged DMAEMA moieties without changing the behavior of the PDMAEMA chains. At intermediate gold concentration, the ions induce a progressive contraction of the corona’s chains and dehydration of micelles. At large gold concentration, the corona becomes a fully dry phase loaded with gold ions, which induces micelle aggregation. Radiolysis of the solution by an intense X-ray beam produces different types of gold nanoparticles with respect to RAuCl4/DMAEMA and irradiation time. At RAuCl4/DMAEMA = 0.033, irradiation produces in the first step gold clusters in the micelle corona which in the second step merge to form nanoparticles of a similar size to that of the micelle. Conversely, at RAuCl4/DMAEMA = 0.33, micelles do not operate as templates but only as nucleation zones and large nanoparticles grow outside the micelles.

La recherche de nouveaux états de la matière, allant au-delà de la description classique "à la Landau" suscite un très fort engouement en physique. Dans cette perspective, les travaux théoriques orientent ces recherches vers les systèmes présentant des "ordres topologiques", tels que certains "liquides de spin quantiques" et autres états fortement corrélés, caractérisés en particulier par l’absence de symétrie brisée.

Sur le plan expérimental, c’est la recherche d’une contrepartie quantique des "glaces de spins" qui a retenu l’attention. Ces composés forment un analogue magnétique de la glace d’eau, où le comportement des spins reflète exactement celui du désordre des protons dans H2O.

Une équipe internationale formée de chercheurs du PSI (Suisse), du Stanford Institute for Materials and Energy Science (USA), de l’Institut Néel à Grenoble et du LLB à Saclay a mis en évidence par diverses techniques, dont la diffusion des neutrons, un exemple de cette contrepartie quantique des glaces de spin. Plus précisément, il s’agit d’un état "glacé" particulier, où la distribution octupolaire de la densité électronique joue le rôle des moments magnétiques dans les glaces de spins classiques. L’étude des interactions montre que l’état fondamental est constitué d’une superposition quantique d’états intriqués, confirmant ainsi les prédictions théoriques sur les liquides de spins quantiques.

de Oliveira-Silva, Rodrigo; Bélime, Agathe; Le Coeur, Clémence; Chennevière, Alexis; Helary, Arnaud; Cousin, Fabrice; Judeinstein, Patrick; Sakellariou, Dimitrios; Zanotti, Jean-Marc

In soft condensed matter, Small Angle Neutron Scattering (SANS) is a central tool to probe structures with characteristic sizes ranging from 1 to 100 nm. However, when used as a standalone technique, the dynamic properties of the sample are not accessible. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a versatile technique which can easily probe dynamical information. Here, we report on the coupling of a low-field NMR system to a SANS instrument. We show that this original set-up makes it possible to obtain structural information and to simultaneously extract in situ on a same sample, long-range translational diffusion coefficient, T1T1 and T2T2 nuclear spin relaxation times. Such a feature is of major interest when a sample experiences a transient physical state or evolves rapidly. We illustrate the capabilities of alliancing these experimental methods by following the critical temperature-induced phase separation of a concentrated Poly(Methacrylic Acid) solution at its Lower Critical Solution Temperature. The characteristic size related to the domain growth of the polymer-rich phase of the gel is monitored by the evolution of the SANS spectra, while the dynamics of the sol phase (H2O and polymer) is simultaneously characterized by NMR by measuring T1T1, T2T2 and the diffusion coefficient. Great care has been taken to design a cell able to optimize the thermalization of the sample and in particular its equilibration time. Details are given on the sample cell specifically designed and manufactured for these experiments. The acquisition time needed to reach good signal-to-noise ratios, for both NMR and SANS, match: it is of the order of one hour. Altogether, we show that in situ low-field NMR/SANS coupling the NMR is meaningful and is a promising experimental approach.


M. Ruminy, S. Guitteny, J. Robert, L.-P. Regnault, M. Boehm, P. Steffens, H. Mutka, J. Ollivier, U. Stuhr, J. S. White, B. Roessli, L. Bovo, C. Decorse, M. K. Haas, R. J. Cava, I. Mirebeau, M. Kenzelmann, S. Petit, and T. Fennell

Tb2Ti2O7 presents an ongoing conundrum in the study of rare-earth pyrochlores. Despite the expectation that it should be the prototypical unfrustrated noncollinear Ising antiferromagnet on the pyrochlore lattice, it presents a puzzling correlated state that persists to the lowest temperatures. Effects which can reintroduce frustration or fluctuations are therefore sought, and quadrupolar operators have been implicated. One consequence of strong quadrupolar effects is the possible coupling of magnetic and lattice degrees of freedom, and it has previously been shown that a hybrid magnetoelastic mode with both magnetic and phononic character is formed in Tb2Ti2O7 by the interaction of a crystal field excitation with a transverse-acoustic phonon. Here, using polarized and unpolarized inelastic neutron scattering, we present a detailed characterization of the magnetic and phononic branches of this magnetoelastic mode, particularly with respect to their composition, the anisotropy of any magnetic fluctuations, and also the temperature dependence of the different types of fluctuation that are involved. We also examine the dispersion relations of the exciton branches that develop from the crystal field excitation in the same temperature regime that the coupled mode appears, and find three quasidispersionless branches where four are expected, each with a distinctive structure factor indicating that they are nonetheless cooperative excitations. We interpret the overall structure of the spectrum as containing four branches, one hybridized with the phonons and gaining a strong dispersion, and three remaining dispersionless.

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La métrologie (spectroscopie, mesures de temps ou de distances) ou encore la réalisation de réseaux optiques quantiques nécessitent des sources de photons uniques efficaces. Une équipe du SPEC à Saclay, en collaboration avec l'IQST d'Ulm en Allemagne, démontre expérimentalement une voie originale pour obtenir une source de photons microonde uniques, simple, efficace et brillante. Cette nouvelle voie exploite un régime de fort couplage lumière-matière rendu accessible grâce aux développements récents des circuits électriques quantiques.


Souha Ben Mahmoud, Wafa Essafi, Annie Brûlet and François Boué

The chain conformation in sulfonated polystyrene PSSNa of a degree of sulfonation 0.34 ≤ f ≤ 1, i.e., of various hydrophobicity, is followed in mixtures of water and increasing content of tetrahydrofuran (THF), a good solvent of the hydrophobic polystyrene moieties (which improves the solvent quality of the mixture). This is achieved by measuring the chain form factor by small-angle neutron scattering using the zero average contrast method (ZAC). Polymer concentrations 0.17 and 0.34 M correspond in our case to the semidilute regime or its limit with dilute regime depending on the chain conformation. The main result is the monitoring with added THF of the pearl necklace conformation. This heterogeneous structure, made of wormlike chain parts (strings) and pearls, was observed formerly in water: when f decreases, the string contribution decreases, and the pearls size, characterized by a maximum in Kratky q2S1(q) representation, slightly increases. Here we see that in the presence of increasing content of added THF (i) the pearls contribution decreases, as expected, and (ii) their size does not change by more than 10% in most cases (30% at the most). Among different modeling, the most complete has been done following the pearl necklace models of Schweins, Huber et al. and Lages, Huber et al.; beyond the size and distribution of pearls, it addresses the radius of gyration, the correlation distance between spheres, weakly visible, and, importantly their number N. The values of Rg, as well as the modeling, suggest that while the sphere size varies a few, N decreases clearly with added good solvent. A link with the simulation of Liao et al. can be found. A second result, important in practice, is that all modeling of the scattering establishes that THF addition makes vanish an excess of low q scattering due to large compact spheres present in water. A third result is obtained after a “THF treatment” procedure, consisting of adding THF and then removing it by evaporation: (i) the spherical aggregates are washed out, and (ii) the pearl necklace conformation of the chain returns to the one in water solution before treatment. Therefore, the pearl necklace conformation of the hydrophobic polyelectrolyte in aqueous solution appears to be in an annealed equilibrium state resulting from hydrophobic attraction and electrostatic repulsion.

DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00990

Béatrice Gillon, Albert Hammerschmied, Arsen Gukasov, Alain Cousson, Thomas Cauchy, Eliseo Ruiz, John A. Schlueter, Jamie L. Manson

We report neutron‐diffraction investigations of the quasi‐2D MnII(dca)2(pym)(H2O) (pym = N2C4H4) compound, where high‐spin MnII ions are bridged by dicyanamide anions, [N(CN)2] (herein abbreviated dca). Inside the layers, Mn2+ ions are connected by single or double dca bridges. The magnetic phase diagram was established by neutron diffraction on a single crystal. In the low‐field phase, the MnII ions are antiferromagnetically ordered in the layers, with moments nearly parallel to the c axis, and the layers are antiferromagnetically coupled. The spin‐flop phase corresponds to ferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layers, in which the MnII moments are nearly perpendicular to the c axis. The induced spin‐density distribution in the paramagnetic phase, determined by polarized neutron diffraction, visualizes the superexchange pathways through the dca ligands within the layers and through H bonding between neighboring layers. The theoretical spin density obtained by bidimensional periodic DFT calculations is compared with the experimental results. Furthermore, quantum Monte Carlo simulations have been performed to compare the DFT results with experimental susceptibility measurements.

Les transitions de phase sont des phénomènes physiques bien connus, qui font partie de notre vie quotidienne : l’eau liquide gèle à 0°c, bout à 100 °C ; certains métaux comme l’étain (étain blanc et étain gris) changent de structure cristalline en fonction de la température... Mais certaines de ces transitions peuvent être de nature bien différente, en lien avec l'existence de défauts "topologiques", qui ne peuvent apparaitre ou disparaitre qu'accompagnés de leurs anti-défauts

Une collaboration de théoriciens et d'expérimentateurs, dont des spécialistes de diffusion de neutrons, s’est intéressée à un matériau quantique unidimensionnel : BaCo2V2O8 (BACOVO). L'étude montre qu’il s’agit d’un système modèle pour l’étude d’une nouvelle transition de phase topologique, gouvernée non pas par un seul, mais par deux types d’excitations topologiques, qui sont de plus quantiquement conjuguées : l'application d'un champ magnétique externe permet de piloter, le système que l'on peut placer dans chacune des phases où une des deux excitations est dominante.


We report on the self-assembly behavior of poly(2-methyl-2-oxazoline)–block–poly(2-octyl-2-oxazoline) comprising different terminal perfluoroalkyl fragments in aqueous solutions. As reported previously [Kaberov et al. (2017)] such polyphiles can form a plethora of nanostructures depending of the composition and on the way of preparation. Here we report, for the first time, detailed information on the internal structure of the nanoparticles resulting from the self-assembly of these copolymers. Small-angle neutron and X-ray scattering (SANS/SAXS) experiments unambiguously prove the existence of polymersomes, wormlike micelles and their aggregates in aqueous solution. It is shown that increasing content of fluorine in the poly(2-oxazoline) copolymers results in a morphological transition from bilayered or multi-layered vesicles to wormlike micelles for solutions prepared by direct dissolution.

In contrast, nanoparticles prepared by dialysis of a polymer solution in a non-selective organic solvent against water are characterized by SAXS method. The internal structure of the nanoparticles could be assessed by fitting of the scattering data, revealing complex core-double shell architecture of spherical symmetry. Additionally, long range ordering is identified for all studied nanoparticles due to the crystallization of the poly(2-octyl-2-oxazoline) segments inside the nanoparticles.


D. Bounoua, R. Saint-Martin, S. Petit, P. Berthet, F. Damay, Y. Sidis, F. Bourdarot, and L. Pinsard-Gaudart, Phys. Rev. B 95, 224429

The low energy magnetic excitations spectra of the pristine and doped quasi-one-dimensional spin chains cuprates SrCuO2 have been investigated by inelastic neutron scattering. The momentum-integrated magnetic dynamical structure factor yields a constant integrated intensity with regard to energy in the pure compound, while it shows a strong decay, at low energies, in the compounds doped with nonmagnetic impurities, namely, SrCu0.99M0.01O2 (with M=Zn or Mg) and Sr0.99La0.01CuO2 (Cu+ carrying S=0 created within the chains). These results evidence the opening of a spin pseudogap in the two-spinon continuum of SrCuO2 upon doping, stemming from disruptions of the spin chains by quantum impurities.

Le collagène est la protéine la plus abondante dans le corps humain, et sa structure particulière en triple hélice est à l’origine de propriétés mécaniques spécifiques au cartilage (élasticité, robustesse…), dont il est le composant majoritaire. Une collaboration entre physiciens, chimistes et radiobiologistes du laboratoire CIMAP étudie depuis quelques années l’irradiation du cartilage afin d’améliorer le traitement des tumeurs associées par hadronthérapie. Dans ce contexte, des expériences ont été menées sur des systèmes moléculaires isolés modèles de la triple hélice du collagène. Les résultats montrent que cette structure existe en l’absence de tout solvant, et que ses propriétés de stabilité sont les mêmes que dans les tissus biologiques. L’hypothèse longtemps admise d’une influence de l’eau est donc sans doute à exclure.


La richesse de la structure électronique de certains matériaux, dits "à électrons fortement corrélés", leur confère de nombreuses propriétés de nature intrinsèquement quantique, telles que la supraconductivité, ou encore l'état d'isolant de Mott (localisation des électrons de conduction) ou de liquide de spin (état magnétique frustré) [1]. Plusieurs interactions électroniques sont responsables de ces fortes corrélations : au-delà de la simple interaction électrostatique, attractive avec les noyaux des atomes et répulsive entre électrons, on trouve l'interaction résultant du principe d'exclusion de Pauli, qui interdit l'occupation d'un même état par deux électrons, et l'interaction spin-orbite (interaction relativiste entre la vitesse d'un électron et son spin).

Parmi ces matériaux, les chercheurs du LLB, en collaboration avec le Laboratoire de Physique du Solide d'Orsay, montrent que des composés iridates (anion d'iridium) à structure pérovskite présentent à basse température un nouvel état magnétique [2], généré, selon un modèle similaire à celui proposé pour les supraconducteurs à haut Tc, par des boucles de courant de la taille de la maille cristalline [3]. Les similitudes structurales et de propriétés électroniques entre les deux familles de composés éclairent d'un jour nouveau les différents états des solides à électrons fortement corrélés, aux nombeuses applications (électronique de spin, capteurs magnétiques, supraconducteurs, ...) .

Liquide et solide désordonné se distinguent en premier lieu par leur viscosité : l'un coule, l'autre pas. Mais existe-t-il de réelles différences de structure entre ces deux états de la matière et quelle est la nature exacte la transition "vitreuse" qui les sépare ? Si des réponses ont pu être apportées pour des liquides composés d'atomes ou de petites molécules, ces questions se posent aussi pour les polymères fondus, constitués de longues chaines de molécules. Cette question est technologiquement d'importance, puisque la solidification de liquides polymères est au cœur de beaucoup de procédés, tel que le façonnage de la matière plastique.

Une collaboration de spécialistes du domaine, incluant des chercheurs du LLB, montre toute la spécificité du problème de la transition vitreuse pour les polymères, qui font apparaitre une dimension caractéristique supplémentaire : leur longueur de chaine. Si pour les courtes longueurs de chaine, un comportement générique est bien observé à la température de transition vitreuse, des déviations significatives apparaissent pour les longues chaines. Il est alors montré que l'accord peut être rétabli en considérant une propriété dynamique plus macroscopique, telle que la viscosité du polymère.


Des polymères utilisés dans divers secteurs de l’industrie électronucléaire sont susceptibles d’être conditionnés en tant que déchets de moyenne activité à vie longue (MA-VL) en "fin de vie". Au sein des colis de déchets, ils seront alors soumis à des rayonnements ionisants sur des temps longs. Dans ces conditions, le vieillissement de ces matériaux conduit à l'émission d'hydrogène, dont le risque doit être maitrisé.

L'étude réalisée par l'équipe du CIMAP sur des films de polyéthylène (PE) montre que le rendement de production de l'hydrogène G(H2) diminue rapidement avec la dose. Cette évolution est liée à un piégeage de l'énergie déposée, par les défauts radio-induits et la contribution de chaque type de défauts dans le processus a pu être quantifiée. Cette mesure a été possible grâce à l’étude du comportement sous rayonnements ionisants de polymères spécifiques, synthétisés en collaboration avec l’équipe du Pr. Visseaux à l’USCL à Lille, contenant un unique type de défaut, inséré de manière régio-sélective et avec une concentration maîtrisée.

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".


Une équipe de l’Iramis a sondé à l’aide de neutrons le magnétisme d’un cobaltate isolant. Ô surprise, ce composé présente une propriété considérée jusque-là par la communauté scientifique comme la signature de supraconducteurs à haute température critique (cuprates). Cette observation invite à une révision des modèles de ces matériaux.


Comprendre l'origine des nouvelles supraconductivités est un enjeu majeur et incontournable pour le développement de ces matériaux et de leurs applications actuelles et futures. Antérieurs aux pnictures récemment découverts, les cuprates détiennent toujours le record de température pour la supraconductivité. Pour cette classe de matériau le magnétisme joue un rôle central dans le diagramme de phase qu'il faut donc explorer, en lien étroit avec les propriétés de supraconductivité.

Une collaboration de chercheurs allemands, chinois et français du laboratoire Léon Brillouin (LLB) ont exploré par diffusion de neutrons polarisés en spin le diagramme de phase magnétique de ces composés ainsi que les différents modes d'excitations magnétiques associés. L'ensemble des modes accessibles prédits par la théorie originale des boucles de courants de C. M. Varma, attribuant une cause magnétique à l'origine de la supraconductivité dans ces composés, ont ainsi été observés.


Après plus de 20 ans de recherche intensive, l’origine des hautes températures critiques observées dans les cuprates supraconducteurs n’est toujours pas élucidée. Une autre énigme de ces composés est la présence d’une phase dite de "pseudogap" caractérisée par l’ouverture partielle d’un gap dans les excitations de basse énergie au dessous d’une certaine température T*. Cette ligne de pseudogap, mise en évidence initialement par RMN [1], apparaît dans la région sous-dopée du diagramme de phase, c’est-à-dire pour des dopages inférieurs à celui où la température critique est maximale (voir figure 1). Si cette ligne de pseudogap est assez bien définie pour les faibles dopages, on trouve dans la littérature deux diagrammes de phase différents, suivant la façon dont elle se termine en fonction du système étudié et/ou de la technique expérimentale utilisée. Ces deux représentations sont reliées à des interprétations très différentes de l’origine du pseudogap. Dans le premier cas (1-a), la ligne de pseudogap atteint et/ou coupe le dôme supraconducteur au voisinage du dopage optimal et l’état pseudogap est considéré comme une phase différente, voire en compétition avec la supraconductivité ; dans le second (1-b), la phase de pseudogap enveloppe le dôme supraconducteur et est interprétée comme un état précurseur de l’état supraconducteur, les paires supraconductrices isolées se formant à T* alors que la cohérence de phase macroscopique entre les paires n’intervient qu’à la température critique de supraconduction Tc.  

Un des enjeux actuels de l’ingénierie moléculaire est le stockage de l’information à l'échelle de la molécule unique. Un point-clé dans ce domaine est la maîtrise des paramètres qui régissent l’anisotropie magnétique moléculaire. Entre autre, il est indispensable de comprendre les relations magnéto-structurales qui jouent un rôle essentiel dans cette anisotropie.

Les mesures macroscopiques de susceptibilité magnétique et d’aimantation ne donnent accès qu’au comportement global du matériau d’où la nécessité d’une méthode d’investigation au niveau microscopique. Une équipe du Laboratoire Léon Brillouin a montré que la diffraction de neutrons polarisés fournit un outil très performant pour l’étude de l’anisotropie magnétique dans le domaine du magnétisme moléculaire qui permet, grâce à l’approche des tenseurs locaux de susceptibilité magnétique, de visualiser les moments magnétiques sur chaque site atomique de la molécule.


C.J. van der Beek, Marcin Konczykowski  Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole Polytechnique

Collaboration R. Okazaki, S. Kasahara T. Terashima, T Shibauchi, Y. Matsuda, Département de Physique, Université de Kyoto, Sakyo-ku, Kyoto, Japon.

Les nouveaux supraconducteurs à base de fer-arsenic (pnictures) sont de type II, c'est-à-dire qu'il existe un seuil critique en champ magnétique au-delà duquel le champ pénètre dans le matériau sous forme de vortex. Les expérimentateurs du LSI montrent par l'étude du piégeage de ces vortex (notamment par la mesure du courant critique de dépiégeage) que ces nouveaux supraconducteurs se séparent en deux classes selon la valence de leur dopage (isovalent ou "en charge"). Cette distinction est cohérente avec le comportement de diffusion par les défauts des quasi-particules associées à l'état supraconducteur (paires de Cooper). Ceci montre que l'étude du piégeage de vortex est une méthode utile et insoupçonnée pour caractériser ces composés [1].

Y. Li1, V. Balédent2, G. Yu3, N. Barišić1, K. Hradil3, R.A. Mole3, Y. Sidis2, P. Steffens4, X. Zhao1, P. Bourges2, M. Greven1

1 Department of Physics, Stanford University, Stanford, California 94305, USA
2 Laboratoire Léon Brillouin (LLB), CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
3 Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM-II), TU München, D-85747 Garching,   Germany
4 Institut Laue Langevin (ILL), 38042 Grenoble CEDEX 9, France

Pour les physiciens de la matière condensée, comprendre l’origine de la supraconductivité à haute température critique (Tc), telle qu'elle est observée dans les oxydes de cuivre, demeure un défi majeur en ce début de XXIème siècle. Diverses hypothèses sont proposées et testées, mais après avoir montré l’émergence d’un ordre magnétique dans la phase dite de "pseudo-gap" (phase électronique adjacente à la phase supraconductrice), les dernières expériences, réalisées par des chercheurs de l'IRAMIS/LLB par diffusion de neutrons polarisés, révèlent le spectre des excitations magnétiques associé à cet ordre. Ce résultat conforte l'hypothèse d'une origine magnétique au couplage entre électrons à l'origine de la supraconductivité à haut Tc.

D. S. Inosov1, J. T. Park1, P. Bourges2, D. L. Sun1, Y. Sidis2, A. Schneidewind3,4, K. Hradil4,5, D.Haug1, C. T. Lin1, B. Keimer1, and V. Hinkov

1 Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Heisenbergstraße 1, 70569 Stuttgart, Germany
2 Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
3 Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM-II), TU München, D-85747 Garching, Germany

A la grande surprise de la communauté scientifique, une supraconductivité à haute température critique (Tc > 50K) a été découverte en mars 2008 dans des composés à base de fer [1]. En effet, le fer magnétique était plutôt considéré comme antagoniste de la supraconductivité. De plus, c'est la première fois qu'on atteint une température critique si élevée sans cuivre. Comme les oxydes de cuivres supraconducteurs, ces nouveaux supraconducteurs présentent une structure lamellaire avec des couches de fer et de pnictures (composés à base de As, P... , éléments de la 15ème colonne de la table de Mendeleïev) entre lesquelles s'intercalent des plans "réservoirs de charges" (voir la figure). Ces matériaux présentent aussi un diagramme de phase proche de celui des cuprates, avec en fonction du dopage une phase antiferromagnétique contiguë à la phase supraconductrice [2].

H. Cao, A. Gukasov, I. Mirebeau, P. Bonville, C. Decorse, and G. Dhalenne

Dans les composés magnétiques géométriquement frustrés, l’état fondamental résulte d’un équilibre subtil entre différents termes d’énergie.  Des ordres magnétiques exotiques à courte portée, comme les glaces de spin ou les liquides de spin, peuvent être stabilisés, sans désordre chimique. Leur étude stimule actuellement beaucoup de travaux expérimentaux et théoriques.

Un réseau cristallin où la frustration joue un rôle important est le réseau pyrochlore. Dans les pyrochlores de formule R2Ti2O7, les ions magnétiques de terre rare R3+ sont situés sur des tétraèdres jointifs par les sommets. La symétrie locale du site R est ternaire, relative à l’axe d’anisotropie <111> qui joint un sommet du tétraèdre à son centre. En présence d’un champ magnétique, l’orientation et la valeur du moment magnétique de chaque terre rare résulte d’un compromis entre l’énergie Zeeman associée au champ appliqué et celle du champ électrique cristallin, qui impose une anisotropie soit parallèle, soit perpendiculaire à l’axe local.
Comment mesurer la susceptibilité  locale? La difficulté vient du fait que les 4 sommets d’un tétraèdre ont chacun un axe local <111> différent : la susceptibilité macroscopique, mesurée avec un magnétomètre, correspond donc à une moyenne sur les 4 axes, même lorsque l’échantillon est monocristallin. L’idée est de mesurer la susceptibilité par diffraction de neutrons polarisés, ce qui augmente la sensibilité lorsque les moments induits sont faibles (petit champ magnétique, haute température). La relation entre le moment et le champ appliqué est décrite par un tenseur  de susceptibilité qui, par raison de symétrie, ne possède que deux composantes Χ// et χ. L’affinement simultané de centaines de pics de diffraction permet de déterminer ces grandeurs à chaque température, indépendamment de la direction du champ.

Des mesures effectuées sur 4 composés (R=Ho, Tb, Yb, Er) ont  mis en évidence une anisotropie soit planaire (Er, Yb), soit axiale (Tb, Ho). L’essentiel de la variation thermique de la susceptibilité s’explique par le peuplement progressif des niveaux de champ cristallin, dont l’espacement a été déterminé indépendamment par diffusion inélastique de neutrons. Pour expliquer complètement la susceptibilité mesurée, il faut introduire dans un modèle de champ moléculaire, une interaction d’échange et /ou dipolaire. De façon surprenante, c’est aussi une grandeur tensorielle, c'est-à-dire anisotrope. Encore plus surprenant, dans les deux cas (Er et Yb) que nous montrons, l’anisotropie semble provenir non pas du couplage dipolaire, ce qui est classique, mais de l’échange, ce qui l’est beaucoup moins. Un nouvel élément à prendre en compte dans la théorie !

Susceptibilité locale de Er2Ti2O7 (XY, AF) et Yb2Ti2O7 (XY, F) déduites de mesures de neutrons polarisés en phase paramagnétique; les lignes en pointillés représentent le calcul de champ cristallin seul, les lignes continues le calcul auto-consistent avec champ moléculaire.

Contacts : A. Gukasov, I. Mirebeau (LLB) ; P. Bonville (SPEC)

Référence :
H. Cao,1 A. Gukasov,1 I. Mirebeau,1 P. Bonville,2 C. Decorse,3 and G. Dhalenne3
Phys. Rev. Lett. 103, 056402, (2009).

1Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CE-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA-CNRS, CE-Saclay, 91191 Gif-Sur-Yvette, France
3Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide, ICMMO, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France

Les chercheurs du LLB viennent de publier en 2008 plusieurs articles dans les prestigieuses revues Science [1-2] et Nature [3]. Ces résultats montrent toutes les potentialités des techniques de diffraction de neutrons à la pointe des études sur les nouveaux matériaux.

V. Hinkov1, D. Haug1, B. Fauqué, P. Bourges2, Y. Sidis2 (CNRS), A. Ivanov3, C. Bernhard4, C. T. Lin1, B. Keimer1,
1Max Planck-Institut
2LLB CEA Saclay
3ILL (Institut Laue-Langevin)
4University of Fribourg, Switzerland

Lorsque l’on s’intéresse aux propriétés électroniques d’un matériau, il est communément admis que celles-ci doivent respecter les propriétés de symétrie liées à la structure de ce matériau. Par exemple, si l’on considère un système planaire pavé de carrées aux sommets desquels se trouvent les atomes qui fournissent les électrons de conduction, les propriétés électroniques de ce système doivent en principe être invariantes par rotation de 90°. Or, certains systèmes peuvent spontanément développer des propriétés électroniques qui brisent cette invariance par rotation sans aucun changement des propriétés structurales du système considéré. On parle alors de transition électronique nématique, par analogie avec les cristaux liquides pour lesquels à la transition nématique, il y a perte de l’invariance par rotation. De même que pour les cristaux liquides où cette phase peut être induite en appliquant un champ électrique, un état électronique nématique peut être obtenu en principe en appliquant une contrainte élastique (même faible) sur le système.

Delphine Lebeugle, Dorothée Colson, Anne Forget, Michel Viret (IRAMIS/SPEC CEA-Saclay)
Arsen Goukassov, Alexandre Bataille (IRAMIS/LLB CEA-Saclay)

Les matériaux magnétiques sont aujourd'hui massivement utilisés dans le stockage dynamique de l'information (disques durs, têtes de lecture). Pour ces applications, ils sont le plus souvent mis en œuvre sous forme de couches minces. Ce résultat a été atteint après la naissance de l’électronique de spin ou "spintronique" et la découverte de la magnétorésistance géante. Plus récemment, une nouvelle voie de recherche s’est ouverte concernant les matériaux multiferroïques dans lesquels ordre magnétique et ordre ferroélectrique coexistent, les deux aspects étant couplés. Avec de tels matériaux, le traitement de l'information dans des mémoires RAM pourrait s’effectuer par le biais de l’aimantation et de la polarisation électrique (piloter ou lire l’aimantation locale par l'application d'un champ électrique, ou la polarisation électrique locale par un champ magnétique). Il reste cependant encore tout un travail de recherche fondamental à effectuer, pour comprendre la nature des interactions et des mécanismes responsables du couplage entre les deux types d'ordre. C'est dans ce cadre, que s'inscrivent les récents résultats obtenus au SPEC qui montrent qu’un champ électrique est à même d’influencer le magnétisme dans le composé BiFeO3.

L'utilisation potentielle des matériaux multiferroïques nécessite des composés de haute pureté, de très grande résistivité, possédant un ordre magnétique et électrique couplés et des températures de transitions ordre-désordre (magnétique et électrique) les plus élevées possible. A ce titre le composé BiFeO3 est potentiellement intéressant car c'est le seul oxyde multiferroïque possédant des températures de transition bien au dessus de la température ambiante. Il a donc été expérimentalement très étudié durant ces trois dernières années.


(1,2) B. Toudic, P. Garcia, C. Odin, P. Rabiller, C. Ecolivet and E. Collet,
P. Bourges3, G.J. McIntyre4, M.D. Hollingsworth5, T. Breczewski6

structure urée-alcane

1 Institut de Physique de Rennes, CNRS UMR 6251, Univ. Rennes 1, 35042 Rennes, France
2 CNRS, UMR 6251, IPR, 263 Avenue du Général Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France.
3 Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
4 Institut Laue-Langevin, 38042 Grenoble Cedex 9, France.
5 Department of Chemistry, Kansas State University, Manhattan, KS 66506, USA.
6 Facultad de Ciencias, Universidad del Pais Vasco, Apdo 644, Bilbao, Spain.

Une notion fondamentale dans la description des états de la matière et des propriétés physiques associées est la notion d'ordre et de symétrie. Celles-ci ont été longtemps synonyme de périodicité pour les solides, servant également à définir la notion de cristal, paradigme de nombreuses disciplines de la matière condensée durant le XXème  siècle.

Une manière de sonder la structure de la matière à l'échelle atomique est d'utiliser la diffusion d'un rayonnement (tels que les rayons X, ou de l'onde associée à des particules : neutrons, électrons... ). La présence d'un ordre à grande distance se caractérise alors par l'apparition de pics de diffraction, formant une image qui reflète la symétrie de l’objet. C'est ainsi qu'ont été découverts ces dernières décennies des matériaux non périodiques, mais néanmoins ordonnés comme le montre leur spectre de diffraction présentant des pics discrets. Les physiciens savent représenter ce type de cristaux comme des cristaux périodiques mais dans un super-espace (de dimension 3+d, où 3 représentent les dimensions de l’espace usuel et d la dimension de l’espace interne).

Spectre de diffraction

Nous nous sommes intéressés à des systèmes modèles supramoléculaires apériodiques constitués d'un monocristal d'urée (structure hôte) et de molécules d'alcanes (molécules invitées), dont la  longueur est fonction du nombre nC d'atomes de carbones dans la molécule (nC>7). A température ambiante, les plans cristallins de l'urée ont une structure de symétrie hexagonale. Le long de l'axe C perpendiculaire, la structure suit une double hélice formant des canaux dans lesquels s'insérent les molécules d'alcanes. Le long de l'axe C les molécules et le réseau s'ordonnent, mais selon un ordre apériodique.


Spectre de diffraction de neutrons le long de l'axe C*. En dessous de la température critique Tc1 des lignes de surstructure (h=1/2) orientées selon C* apparaissent montrant un changement de symétrie du système. Le long des lignes les pics de diffraction sont caractéristiques d'une nouvelle structure apériodique ordonnée. . Ce doublement de maille est totalement original car il ne se décrit que selon l’espace interne du superespace, cette solution structurale étant inimaginable dans une description à 3 dimensions. Une deuxième phase structurale apparaît en dessous de Tc2.

B. Fauque1, Y. Sidis1, V. Hinkov2, S. Pailhès1,3, C.T. Lin2, X. Chaud4, Ph. Bourges1

1Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA-Saclay, 91191 Gif sur Yvette, France
2MPI fur Festkorperforschung, Heisenbergstr. 1, 70569 Stuttgart, Germany
3LNS, ETH Zurich and Paul Scherrer Institute, CH–5232 Villigen PSI, Switzerland
4CRETA / CNRS, 25 Avenue des Martyrs, BP 166 38042 Grenoble cedex 9, France.

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