Accueil > Français > Actualité

1D, 2D… et 3D les liquides de spins sont partout !


Le magnétisme des atomes est de nature purement quantique. Pourtant on peut décrire la plupart des propriétés magnétiques des matériaux en termes classiques ; l’effet des fluctuations quantiques semble disparaître à l’échelle macroscopique. L’objet du magnétisme quantique est de mettre en évidence des états de la matière originaux qu’on ne peut décrire qu’en termes quantiques. Ainsi l’état liquide de spin se présente comme une superposition à l’échelle macroscopique d’états intriqués à 2 spins. Un tel état est une alternative quantique à l’état de Néel classique habituellement observé dans les matériaux antiferromagnétiques. En théorie, un état liquide de spin est favorisé pour des réseaux de spins de faible coordinance, c’est-à-dire lorsque chaque spin interagit avec le moins de voisins possibles. Cette situation est la mieux réalisée dans des matériaux quasi-unidimensionnel mais à 2, voire 3 dimensions la stabilité de l’état liquide de spin est une question encore très débattue. Par une combinaison de mesures macroscopiques (SQUID) et de sondes locales (muSR, RMN) nous avons montré que l’oxyde PbCuTe2O6 à structure 3D frustrée hyperkagome présente les signatures d’un état liquide de spin, une première à 3 dimensions pour des spins purs S=1/2.


a) Aimantation du composé PbCuTe2O6 mesurée dans un cryostat 3He pour atteindre les basses températures (T>450mK) et pour différents champs magnétiques appliqués. La flèche verticale indique une anomalie magnétique à 0.86K que l’on retrouve dans les mesures de chaleur spécifique (insert haut). Vue partielle de la structure avec les différents chemins d’échange (insert bas). b) Taux de relaxation des spins des muons montrant un fort ralentissement de la dynamique de spin sous 1K et la persistance de fluctuations lentes à très basse températures. c) Shift RMN (points) proportionnel à la susceptibilité locale comparé à la susceptibilité macroscopique (tirets) et aux résultats théoriques pour le modèle hyper-kagomé.

L’oxyde PbCuTe2O6 , synthétisé par nos collaborateurs à l’université de Taiwan, est un isolant dans le quel les ions magnétiques Cu2+ de spin S=1/2 ont une interaction antiferromagnétique de 22K. Des mesures réalisées avec un cryostat 3He dans un magnétomètre à SQUID donnent une première caractérisation des propriétés basses températures, proche de l’état fondamental ; on n’observe pas de transition antiferromagnétique classique, signe de la forte frustration magnétique du composé due à la structure particulière du réseau magnétique constitué de triangles à sommets partagés formant une structure tridimensionnelle complexe appelée « hyperkagomé ». Néanmoins une anomalie est clairement présente à 0.86K sans qu’il soit possible de décider à partir de ces expériences s’il s’agit d’une transition marginale d’une fraction de l’échantillon polycristallin ou la signature d’une transition en volume qui disqualifierait la possibilité d’un état fondamental liquide de spin. Des mesures complémentaires par les techniques locales de muSR (réalisées au Paul Sherrer Institut) et de RMN lèvent cette ambiguité : la dynamique de spin se ralentit effectivement fortement autour de 1K mais on n’observe pas de magnétisme sur site gelé dans le volume de l’échantillon, une première caractéristique d’un état liquide. De plus la susceptibilité finie à T-> 0 exclut la présence d’un gap dans le spectre d’excitations et suggère des corrélations spin-spin à longue portée, attendues dans une classe de liquides de spins dits « critiques ».

Référence :

Spin Liquid State in the 3D Frustrated Antiferromagnet PbCuTe2O6 : NMR and Muon Spin Relaxation Studies
P. Khuntia, F. Bert, P. Mendels, B. Koteswararao, A. V. Mahajan, M. Baenitz, F. C. Chou, C. Baines, A. Amato, Y. Furukawa
Phys. Rev. Lett. 116, 107203 (2016).

Contact :

Fabrice Bert