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Yb2Ti2O7 : un matériau quantique sous pression


Les nouveaux états quantiques de la matière échappent encore souvent à l’observation expérimentale. Notre étude couplant diffraction de neutrons et mesures de relaxation de spin du muon (μSR) a permis de montrer pourquoi dans le composé minéral Yb2Ti2O7 : des défauts ponctuels atomiques (Yb présent en excès) parviennent à créer une pression suffisante pour induire une transition de phase vers un ordre magnétique plus conventionnel.

Un nouvel état magnétique de la matière, baptisé glace quantique, pourrait exister à des températures inférieures à 2 K (-271,15 °C) au sein d’un minéral à base de terre-rare, Yb2Ti2O7. Dans cet état, l’orientation des moments magnétiques des électrons est parfaitement analogue à l’orientation des liaisons hydrogène-oxygène au sein de la structure de l’eau dans sa forme solide, d’où son nom de glace. En utilisant certains atomes aux propriétés magnétiques anisotropes, tel que l’élément chimique ytterbium (Yb), cet état possèderait des propriétés quantiques fascinantes comme la superposition cohérente d’états, popularisée par le chat de Schrödinger, ou encore la formation de nouvelles quasi-particules électroniques.

L’observation d’un tel état quantique dans un matériau de grandes dimensions pourrait révolutionner nos idées sur le comportement collectif des électrons dans la matière, et nous permettre d’imaginer les propriétés physiques des matériaux quantiques de demain. Le composé Yb2Ti2O7 a fait l’objet de nombreuses études depuis le début des années 2000, sans que les scientifiques parviennent à conclure quant à la nature de l’état magnétique de ce composé à très basse température : s’agit-t-il d’une glace quantique ou bien d’une phase ferromagnétique ordinaire, proche de celle présente dans les aimants de la vie quotidienne ? Les résultats expérimentaux sont contradictoires.

Avec nos collègues de l’université McMaster (Hamilton, ON, Canada) nous venons de démontrer qu’il existe bien à très basse température un état sans ordre magnétique conventionnel, compatible avec la glace quantique, mais qui reste toutefois fragile face aux perturbations telle que l’application d’une forte pression. À l’aide de techniques spectroscopiques (diffraction de neutrons et µSR), nous avons pu démontrer que des pressions comprises entre 1.2 et 25 kbar permettaient en effet d’induire une transition de phase d’un état initial non-magnétique vers un état ferromagnétique, caractérisé par l’apparition de pics de Bragg d’origine magnétique sous pression. Par ailleurs, des mesures de diffraction de neutrons ont permis de montrer la présence d’ions Yb3+ en excès, localisés sur le site cristallographique du titane, dans les matériaux réels de formule chimique Yb2(YbxTi1-x)2O7 (0 ≤ x ≤ 0.02). La différence sensible de rayons ioniques entre Yb3+ et Ti4+ impose de fortes contraintes locales, de façon similaire à l’application d’une pression.

Ce nouveau résultat met fin à la controverse. Des défauts à l’échelle atomique peuvent avoir un impact significatif sur les propriétés magnétiques macroscopiques du composé Yb2Ti2O7, expliquant les résultats expérimentaux qui semblaient jusque-là contradictoires. Ces mesures constituent une première étape pour mieux comprendre comment les états quantiques peuvent se former dans les matériaux réels, et justifient l’intérêt d’une collaboration toujours plus étroite entre physiciens et chimistes du solide pour concevoir et comprendre les matériaux aux électrons fortement corrélés de demain.
Yb2Ti2O7 : un matériau quantique sous pression(a) Mesures de diffraction de neutrons réalisées sous pression hydrostatique (P = 11 kbar) sur la ligne D20 de l’ILL, sur le composé Yb2Ti2O7. L’évolution des diagrammes de diffraction en température montre l’apparition de pics de Bragg magnétiques pour T ≤ 400 mK, caractéristique d’un état de type ferromagnétique avec un moment magnétique de 0.33(5)µB. (b) Diagramme pression-température (P–T) établi par mesures de µSR du composé Yb2Ti2O7. Les cercles noirs définissent la ligne de transition de phase entre un état collectif paramagnétique (PM, orange) et un état de type ferromagnétique (SFM, bleu). La région verte à basse température souligne la présence d’une phase non-magnétique exotique (QSL) mise en évidence pour P = 0.

Référence :

Ground state selection under pressure in the quantum pyrochlore magnet Yb2Ti2O7
E. Kermarrec, J. Gaudet, K. Fritsch, R. Khasanov, Z. Guguchia, C. Ritter, K. A. Ross, H. A. Dabkowska and B. D. Gaulin
Nature Communications 8, 14810 (2017), doi:10.1038/NCOMMS14810.

Contact :

Edwin Kermarrec