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Doctorat H/F: Etude des liquides de spins quantiques par résonance magnétique nucléaire et ultrasons

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : lundi 11 juillet 2022

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Informations générales

Référence : UMR8502-FABBER-001
Lieu de travail : ORSAY
Date de publication : lundi 20 juin 2022
Nom du responsable scientifique : BERT Fabrice
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Les liquides de spins sont de nouveaux états de la matière quantique où la frustration des interactions empêche l'établissement d'un ordre magnétique au profit d'un état quantique macroscopiquement intriqué. Dans les matériaux candidats à cette physique, la question est d'identifier la nature précise de ces états fondamentaux non-conventionnels, de leurs excitations exotiques fractionnaires (spinons, monopoles magnétiques...) ainsi que leur stabilité vis-à-vis des perturbations, telles que le désordre, les anisotropies magnétiques ou l'application d'un champ extérieur.

Le composé herbertsmithite à géométrie frustrée kagomé reste emblématique pour la physique des liquides de spins. Malgré de fortes interactions antiferromagnétiques, il ne s'ordonne pas jusqu'au plus basses températures étudiées et des signatures d'excitations non conventionnelles dites fractionnaires ont été observées par diffusion de neutrons. La nature exacte du liquide de spins réalisé reste néanmoins une question ouverte. Au-delà de cet archétype encore largement étudié y compris à Orsay et Sherbrooke, de nouveaux composés présentant diverses variations à la géométrie kagomé ont été synthétisés. Nous proposons en particulier d'étudier le composé Y-kapellasite, une variante de l'herbertsmithite qui réalise un modèle magnétique encore inexploré, kagomé anisotrope. Des cristaux sont disponibles (Coll. P. Pascal, Stuttgart). Un autre volet est l'étude de nouveaux matériaux à base d'oxyde de molybdène décrits par un réseau kagomé «respirant», constitué de motifs triangulaires de deux grandeurs différentes. Le ratio des interactions entre les deux types de triangles devrait avoir un impact sur l'état fondamental de ces systèmes.

Nous proposons d'étudier ces nouveaux états par une combinaison de deux techniques complémentaires: la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui permet d'extraire les susceptibilités magnétiques statiques et dynamiques dans ces systèmes complexes, et les mesures d'ultrasons, extrêmement sensibles et efficaces pour révéler des changements de phases subtils via les couplages magnéto-élastiques.
Ce projet de thèse s'appuie sur une collaboration étroite de 3 membres du laboratoire de recherche international (IRL " Frontières Quantiques") nouvellement créé entre le CNRS et l'université de Sherbrooke. Les études par RMN peuvent être effectuées dans le groupe SQM (LPS\Paris-Saclay) jusqu'à 14 T et de 300K à 40mK. A Sherbrooke les mesures ultrasonores peuvent être effectuées jusqu'à très basse température (50 mK) dans le groupe de Jeffrey Quilliam, mais à champ relativement modeste (16 T). Au LNCMI nous accéderons à des champs plus intenses (jusqu'à 90 T), afin de révéler des transitions, éventuellement induites par le champ magnétique, en forte collaboration avec David Le Bœuf, spécialiste de mesure d'ultrasons en champ intense.

References:
-Introduction to Frustrated Magnetism (eds Lacroix, C., Mendels, P. & Mila, F. (Springer, 2010).
-Norman, M. R. Herbertsmithite and the search for the quantum spin liquid. Rev. Mod. Phys. 88, 041002 (2016).
-Mendels, P. & Bert, F. Quantum kagome frustrated antiferromagnets: One route to quantum spin liquids, Comptes Rendus Physique, Académie des Sciences 17, 455 (2016).
-Barthélemy Q. et al Local study of the insulating quantum kagome antiferromagnets YCu3(OH)6OxCl3-x (x = 0, 1/3). Phys. Rev. Materials 3, 074401 (2019).
-Khuntia, P. et al. Gapless ground state in the archetypal quantum kagome antiferromagnet ZnCu3(OH)6Cl2 Nature Physics 16, 469 (2020).
-Tustain, K et al. From magnetic order to quantum disorder in the Zn-barlowite series of S=1/2 kagome antiferromagnets, npj Quantum Mater. 5, 74 (2020).

Contexte de travail

Le (la) candidat(e) travaillera au laboratoire de physique des solides d'Orsay, université Paris-Saclay-CNRS, dans l'équipe "Spectroscopie des Matériaux Quantiques" aux côtés de 3 chercheurs permanents, P. Mendels, F. Bert et E. Kermarrec qui ont une large expérience dans la thématique et les techniques proposées; il (elle) bénéficiera du soutien d'un ingénieur de recherches intégré à l'équipe et de toute la logistique du laboratoire (mécanique, cryogénie, instrumentation) ainsi que de collaborations nationales et internationales solidement établies, en particulier à Sherbrooke et au LNCMI.

Informations sur l'équipe https://equipes2.lps.u-psud.fr/sqm/
Informations sur le laboratoire: https://www.lps.u-psud.fr/

Contraintes et risques

Des missions à Sherbrooke (Canada) et au LNCMI (grenoble/toulouse) pour des campagnes de mesures ultrasons sont à prévoir.

Informations complémentaires

Le(la) candidat(e) doit avoir un goût certain pour les expériences, les conditions extrêmes (basses températures, fort champ magnétiques) et la recherche fondamentale. Une solide formation en mécanique quantique et physique des solides au niveau master 2 est attendue.
Le dossier de candidature devra comporter à minima un CV, une lettre de motivation et au moins une lettre de recommandation ainsi que les notes de master 1 et 2.

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