Soutenance de thèse d'Ornella Vaccarelli

Ornella Vaccarelli, doctorante dans l'équipe PALM, soutient sa thèse le mardi 25 septembre 2018 à 14 h.

IMPMC - Sorbonne Université - 4 place Jussieu, 75005 Paris, tour 23, 4^e étage, couloir 22-23, salle 401

Phénomènes exotiques dans le nouveau système d’échelle de spin frustrés Li₂Cu₂O(SO₄)₂

Résumé

L’étude  des  systèmes  d’échelles  de  spin-1/2  frustrés  est  une tâche fondamentale dans la  physique de la matière condensée, car ils répondent à toutes les exigences favorisant l’émergence de phénomènes  nouveaux  et exotiques.

Cependant, malgré des décennies de travaux théoriques  consacrés à l’étude de ces échelles de  spin, les réalisations de  tels  systèmes  restent encore  limitées. Dans cette  thèse, nous étudions  les propriétés magnétiques d’un  nouveau  composé Li₂ Cu₂ O(SO₄ )₂. Ce système apparaît comme une très  rare  réalisation  d’échelle de spin-1/2  frustrée à deux jambes dans sa structure tétragonale à haute température, où la frustration géométrique  provient des interactions concurrentes le long des jambes.

De plus, la diffraction de neutrons et de rayons X en fonction de la température révèlent la présence d’une transition de phase structurale se produisant vers 125 K, impliquant une très faible distorsion  de la structure. En combinant les approches expérimentale et théorique, nous démontrons que cette distorsion faible et progressive, tout  en maintenant la géométrie globale d’une échelle, induit  la formation  d’une structure de dimères alternés  à travers  un grand  cou- plage magnétoélastique, éliminant  la plupart des frustrations magnétiques.  En  outre, nous présentons la première  étude  détaillée  des excitations magnétiques à basse température de Li₂ Cu₂ O(SO₄ )₂ combinant la susceptibilité magnétique, la spectroscopie  infrarouge  et  les mesures de diffusion inélastique de neutrons. Les observations expérimentales sont qualitativement expliquées par des calculs de diagonalisation exacte  et perturbations d’ordre élevés effectués sur la base de la géométrie dimérisée dérivée des calculs de premiers  principes.

Mots-clés

Frustration, échelle de spin, systèmes fortement corrélés, systèmes de faible dimension, excitations magnétiques

Exotic phenomena in the new frustrated spin ladder Li₂Cu₂O(SO₄)₂

Abstract

The  study  of frustrated spin-1/2  ladder  systems  is a  fundamental task  in condensed- matter physics, as they fullfill all the requirements favouring the emergence of new and exotic phenomena.

However, despite  decades  of theoretical work devoted  to the  study  of these  spin ladders, real material  realizations of such systems  still remain  limited.   In this thesis,  we investigate the magnetic  properties  of a new compound  Li₂ Cu₂ O(SO₄ )₂. This system  appears  as a very rare realization  of a S = 1/2 frustrated two-leg spin ladder in its high-temperature tetragonal structure, where geometrical  frustration arises from competing  interactions along the legs.

Moreover,  temperature dependent  neutron and  X-ray  diffraction  reveal  the presence  of a structural phase  transition occurring  at  around  125 K. Combining  the  experimental and theoretical approaches, we demonstrate that this weak and progressive distortion, while main- taining  the global geometry  of a ladder,  induces the formation  of a staggered  dimer structure through a large magnetoelastic coupling, removing most of the magnetic  frustration. Further- more, we present the first detailed  investigation of the low-temperature magnetic  excitations of Li₂ Cu₂ O(SO₄ )₂  combining magnetic  susceptibility, infrared spectroscopy  and inelastic neu- tron  scattering measurements. Experimental observations are qualitatively explained  by ex- act diagonalization and higher-order  perturbation calculations  carried out on the basis of the dimerized  geometry derived  from first principle  calculations.

Keywords

Frustration,  spin-ladder, strongly-correlated systems,  low-dimensional  systems, magnetic excitations

Jury

• M. Vincent Robert, PR (Laboratoire de Chimie Quantique, Université de Strasbourg) - Rapporteur        
• M. Roland Hayn, PR (IM2NP, Universités d’Aix-Marseille et de Toulon) -Rapporteur        
• Mme. Virginie Simonet,  DR (MCBT, Institut NEEL, Grenoble) - Examinatrice     
• M. Andreas Honecker, PR (LPTM, Université de Cergy-Pontoise) - Examinateur 
• M. Ricardo Lobo, DR (LPEM, ESPCI) - Examinateur 
• M. Guillaume Radtke, MCF (IMPMC, Sorbonne Université) - Directeur de thèse 
• Mme. Gwenaelle Rousse, MCF(Chimie du Solide et Energie, Collège de France)  - Co-directeur de thèse 
• Mme. Paola Giura, CR (IMPMC, Sorbonne Université)- Membre invité