Réseaux artificiels à frustration géométrique - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2016

Artificial frustrated arrays

Réseaux artificiels à frustration géométrique

Yann Perrin
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1009017

Résumé

Some crystalline compounds, such as ice or spin ices, remain disordered at low temperature. This surprising behaviour is due to the phenomenon of frustration. Frustration arises in the presence of competing forces that can not be simultaneously satisfied. It can lead to highly correlated and disordered states. Frustrated compounds have been studied in condensed matter for decades. But state of the art experimental techniques do not provide a local access to the spins degree of freedom in these systems. Arrays of nanomagnets appears as good candidates to overcome this issue. Their are made of few hundreds nanometers sized magnetic islands, which can be easily observed using magnetic imaging techniques. It is then possible to investigate how the magnets locally accommodate to frustration. Arrays of nanomagnets are made using highly flexible lithography techniques. It is therefore possible to realise systems which do not have any natural counterpart. This high flexibility, combined with the ability to image local information, explain the broad interest of the community for these arrays. Since the pioneering works of Wang et al., many studies have been devoted to square geometry. This geometry was first designed for realising the so-called Lieb square ice model. Previous theoretical studies have been dedicated to this model, which can be viewed as a two dimensional version of ice and spin ices. But for geometrical reasons, square arrays of nanomagnets do not show the expected behaviour : the system orders, instead of having a disordered low-energy manifold. The community then focuses on other geometries. Up to now, the low-energy manifold of the Lieb model has never been experimentally revealed. This thesis aims to overcome this issue and to investigate the Lieb square ice model using arrays of nanomagnets. The first approach presented here consists to add small magnetic islands next to the magnets which form the square arrays. We prove that these additional magnets provide a fine tuning of the effective couplings between the nanomagnets. An ice physics can be then recovered in the system. Experimentally, we observe that additional magnets avoid the formation of an ordered ground state in the network. But the spin liquid correlations were hidden by an experimental bias. We report however an unexpected phenomenon, where additional magnets influence thermal fluctuations in the network. We then explore a different approach, where one of the two sublattices is raised above the substrate. Theoretical works showed that an ice physics can be restored by introducing a specific height offset. We succeed to realise experimentally such a network and to study its low-energy manifold. We observe a perfect match between our experiments and the expected effect of the height offset. From our analysis, we argue that we succeed to realise the Lieb model using nanomagnets. Experimental magnetic structure factors clearly show the pinch points associated with an algebraic spin liquid. Our approach reveals a bidimensional Coulomb phase in real space for the first time. This works opens new avenues for the study of excitations within a Coulomb phase, analogous to classical magnetic monopoles.
Certains composés cristallins, comme la glace ou les glaces de spin, présentent la caractéristique de ne pas s'ordonner à basse température. Ce comportement surprenant trouve son origine dans le phénomène de frustration. Celui-ci apparaît en présence de forces en compétition qui ne peuvent pas être simultanément satisfaites. Cette frustration donne lieu à des états exotiques de la matière, désordonnés mais pourtant fortement corrélés. Les composés frustrés sont étudiés en matière condensée depuis plusieurs décennies. Mais à ce jour, les techniques expérimentales ne permettent pas d'accéder aux configurations locales de ces systèmes. Les réseaux de nanoaimants semblent être de bons candidats pour contourner cette difficulté. La taille typique de ces nanoaimants est de quelques centaines de nanomètres. Les techniques d'imagerie magnétique permettent donc d'observer chaque objet individuellement. Il est alors possible d'étudier localement comment les degrés de liberté s'accommodent de la frustration. De plus, leur géométrie est aisément modulable puisqu'ils sont fabriqués par lithographie. Il est donc possible de fabriquer des objets qui n'ont pas d'équivalent naturel. L'intérêt porté aux réseaux de nanoaimants provient de cette grande flexibilité, alliée à la possibilité d'observer les configurations locales. Depuis les travaux pionniers de Wang et al., le réseau carré de nanoaimants a reçu une grande attention. Il a été conçu dans le but de réaliser expérimentalement le modèle de Lieb, aussi appelé "glace carrée". Ce modèle, qui a déjà fait l'objet de plusieurs études théoriques, est un analogue bidimensionnel de la glace et des glaces de spin. Mais pour des raisons géométriques, le réseau de nanoaimants carré ne présente pas les propriétés attendues : il s'ordonne au lieu de présenter des états de basse énergie désordonnés. C'est pourquoi la communauté s'est tournée vers d'autres géométries. Mais à ce jour, les états de basse énergie du modèle de Lieb n'ont pas été observés expérimentalement. Cette thèse vise à réaliser et à étudier ce modèle grâce aux réseaux de nanoaimants. Nous explorons dans ce manuscrit une première approche, qui consiste à ajouter des aimants supplémentaires au réseau carré initial. Nous prouvons que cette solution permet théoriquement d'obtenir une physique de glace dans le système. Expérimentalement, les aimants additionnels produisent l'effet recherché, mais un biais dans nos expériences masque les corrélations que nous recherchons. Nous observons toutefois qu'ils ont une influence notable sur les fluctuations et les excitations du réseau. Notre seconde approche consiste à surélever la moitié des nanoaimants du réseau carré. Les travaux théoriques prouvent qu'une physique de glace peut être rétablie en ajustant cette surélévation. Nous avons réussi à élaborer un tel système et à étudier ses états de basse énergie. Expérimentalement, l'effet de la surélévation concorde parfaitement avec nos prévisions. Notre analyse prouve que nous avons réussi à réaliser le modèle de Lieb avec des nanoaimants. Les facteurs de structure magnétiques obtenus présentent des points de pincement, signature d'un liquide de spin algébrique. Cette approche permet de visualiser pour la première fois des configurations magnétiques appartenant à une phase de Coulomb. Ce travail ouvre des perspectives intéressantes pour l'étude des excitations de cette phase, analogues à des monopoles magnétiques classiques.
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Paternité

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  • HAL Id : tel-01528873 , version 1

Citer

Yann Perrin. Réseaux artificiels à frustration géométrique. Physique [physics]. Univ. Grenoble Alpes, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01528873v1⟩
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