Description du sujet de thèse

Les liquides de spin quantique sont de nouveaux états fascinants de la matière. Contrairement aux états fondamentaux ferro- ou antiferro-magnétiques conventionnels constitués de spins ordonnés à longue portée, les liquides de spin sont des états désordonnés hautement intriqués, qui brise le paradigme de la théorie de Landau-Ginzburg-Wilson des transitions de phase. Les fluctuations quantiques sont si fortes que l’image semi-classique des spins individuels, pertinente pour les états conventionnels, s’effondre complètement. Au lieu de cela, les spins s'associent pour former des états singulets. Les états liquides de spin résultent de la superposition quantique de ces singulets individuels pour former un état macroscopiquement intriqué. Il existe de nombreuses façons de réaliser cette superposition et donc de nombreux types différents de liquides à spin quantique possibles. Quelles sont ceux qui peuvent réellement être réalisées dans des matériaux réels et comment les identifier sont des questions centrales. Une empreinte commune de ces états est l’émergence d’excitations non conventionnelles, de spinons fractionnaires, de modes de photon émergent, de fermions majorana… qui peuvent être détectées expérimentalement.
La frustration magnétique est reconnue et utilisée depuis longtemps comme un mécanisme efficace pour favoriser ces états exotiques pour les aimants antiferromagnétiques quantiques (spin-1/2) : toute la richesse de ce concept est illustrée par l'attribution du prix Nobel à G. Parisi en 2021. Plusieurs matériaux tels que l'herbertsmithite ou la kapellasite – initialement des minéraux naturels – sont désormais synthétisés et étudiés dans le monde entier et dans notre groupe pour leurs propriétés magnétiques uniques. Les pyrochlores de terre-rare, les aimants de Kitaev ou bien les matériaux quantiques à fort couplage spin-orbite sont également des voies prometteuses pour la réalisation de tels états exotiques.
Nous proposons d'étudier de tels nouveaux matériaux liquides de spin grâce à nos collaborations internationales bien établies, avec une approche originale combinant des techniques spectroscopiques à haute résolution très complémentaires (RMN, relaxation de spin du muon, diffusion inélastique des neutrons) et des mesures thermodynamiques (capacité thermique) et acoustiques à basse température.

Rôle du/de la doctorant(e):
Le/la doctorant(e) recruté(e) sera responsable des mesures expérimentales de spectroscopies et thermodynamiques et de l'analyse des données sous la supervision d'Edwin Kermarrec. Son projet de recherche s'articulera autour de l'étude de nouveaux matériaux candidats à la physique des liquides de spin pour lesquels il/elle devra développer une expertise (travail bibliographique). Ses travaux devront être soumis à publications et présentés lors de conférences.

Contexte de travail

Le Laboratoire de Physique des Solides est une unité mixte de recherche (UMR 8502) de l'Université Paris-Saclay et du CNRS. Il est affilié à l'Institut de Physique du CNRS et à la 28e section du Conseil National des Universités. Le LPS est membre de la Fédération Friedel-Jacquinot, structure de coordination de la physique sur le plateau du Moulon à Orsay (IdF).
Il regroupe une centaine de chercheurs et enseignants-chercheurs, expérimentateurs et théoriciens, et l'activité de recherche est soutenue par une soixantaine d'ingénieurs, techniciens et administratifs.
Le laboratoire accueille chaque année un grand nombre d'étudiants de premier et deuxième cycle dont de nombreux doctorants, ainsi que des chercheurs en postdoctorat et des scientifiques invités. Le laboratoire couvre une plus grande variété de sujets que son nom ne le suggère, et vise à aborder toute la diversité de la physique de la matière condensée. L'activité de recherche s'organise autour de trois grands axes, qui impliquent chacun à peu près le même nombre de scientifiques :
• Nouveaux états électroniques de la matière
• Phénomènes physiques aux dimensions réduites
• Matière molle et interface physique-biologie
Dans le premier axe sont regroupées des études tant expérimentales que théoriques ayant trait aux propriétés des systèmes dans lesquels les corrélations électroniques sont généralement fortes et qui sont sièges de propriétés remarquables et d'états électroniques non conventionnels tels que la supraconductivité, le magnétisme, les transitions métal-isolant etc.
Dans le deuxième se retrouvent les activités relevant des « nanosciences » au sens large. Elles sont ici abordées du point de vue des propriétés fondamentales, lorsque les dimensions d'un objet deviennent aussi petites que certaines distances caractéristiques (longueur de cohérence, libre parcours moyen, …).
Le troisième axe, étend le concept de « matière molle » à des systèmes biologiques. Les thèmes vont donc des systèmes complexes aux tissus vivants, des cristaux liquides aux mousses, en passant par les polymères ou les systèmes granulaires. Ces études physiques sont à l'interface avec la physico-chimie et la biologie.
Le travail de recherche s'effectuera au sein de l'équipe SQM du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS-UMR 8502).