Étude des propriétés magnétiques des aimants frustrés Ba(Dy,Ho)2O4 et SrHo2O4 par diffusion de neutrons

Abstract

Les aimants frustrés sont des systèmes dans lesquels des moments magnétiques localisés interagissent grâce à des interactions d’échange en compétition, créant une forte dégénérescence de l’état fondamental. Cette frustration est généralement induite par la géométrie du système, mais peut tout autant provenir d’un équilibre précaire des forces d’interactions magnétiques J1–J2 avec les premier et deuxième plus proches voisins. Les systèmes étudiés appartiennent à la famille AkLn2O4 (où Ak = métal alcalino-terreux et Ln = lanthanide) dans lesquels les atomes magnétiques sont pavés de manière hexagonale sur le plan ab et forment des chaînes zigzag le long de l’axe c. Dans cette structure, les ions de terre rare se situent à l’intérieur d’octaèdres d’oxygènes déformés, menant à deux sites magnétiques inéquivalents avec des champs cristallins distincts pouvant être décrits par un système effectif unidimensionnel.

C’est en mettant à profit des techniques de pointe en diffraction et en spectroscopie de neutrons qu’il est possible de sonder les interactions magnétiques entre les atomes des composés et de déterminer les excitations des états fondamentaux. Des mesures en ce sens ont été effectuées avec de nouveaux échantillons polycristallins de Ba(Dy,Ho)2O4, préparés par réaction à l’état solide. En couplant ces résultats à un calcul détaillé des champs cristallins électriques, il a été possible de démontrer l’indépendance des ordres magnétiques se trouvant sur chacun des sites de terres rares. Ainsi, l’affinement des structures magnétiques de ces deux systèmes montre la coexistence de deux types d’ordres à longue portée. Dans les deux cas, on y observe également une vaste diffraction diffuse pouvant être modélisée à l’aide d’un modèle d’interaction unidimensionnel avec les premier et deuxième plus proches voisins. Ces corrélations persistent à des températures bien en deçà des températures de transitions magnétiques, indiquant la présence de sites où ordre et fluctuations magnétiques cohabitent.

Une autre caractéristique de cette famille de composés est la supposition de phases magnétiques induites sous l’application d’un champ magnétique. Dans le SrHo2O4, des mesures d’aimantation en fonction du champ magnétique montrent ainsi la présence d’un large plateau se situant au tiers de l’aimantation totale. Cette phase magnétique induite est caractérisée par des mesures de diffraction de neutrons sur des monocristaux pour lesquels la croissance a été effectuée par la technique optique à zone flottante. De fait, l’application d’un champ magnétique montre l’existence d’une transition d’un des sites magnétiques d’un ordre double Néel vers un ordre à courte portée intermédiaire. L’affinement de la structure magnétique, complexe en raison de la courte portée des interactions, suggère d’une part la présence d’aimantation non-uniforme d’un site à l’autre et, d’autre part, la présence d’un moment magnétique transversal.

Une revue de concepts théoriques de magnétisme se retrouve dans le premier chapitre de cette thèse, afin de définir la frustration. Le prochain chapitre est une courte revue de la littérature des systèmes de cette famille, avec l’accent sur les principales caractéristiques de la structure cristalline et magnétique, ainsi que du développement de plateaux dans l’aimantation. Le troisième chapitre présente la caractérisation de la structure magnétique du BaDy2O4 et du BaHo2O4 par diffraction et spectroscopie de neutron. Finalement, une description de la phase magnétique induite en champ magnétique du SrHo2O4 est faite.

Frustrated magnets are systems where localized magnetic moments interact through competing exchange interactions, creating a degeneracy of the ground state. While normally introduced by the geometry of the systems, the frustration can originate from the delicate balance of the strength of the interactions J1–J2 between the nearest and the next-nearest neighbours. The systems studied belong to the AkLn2O4 family (where Ak = alkaline earth metal and Ln = lanthanide) for which the lattices of magnetic rare earth ions are built from hexagonal tiles in the ab-plane, and zigzag chains along the c-axis. In this structure, each rare earth ion is located inside a differently distorted oxygen octahedron, resulting in two inequivalent rare earth sites with a distinct crystal field environment. It has been argued that the unusual magnetism in these materials originates from the chains, which can be described as an effective one-dimensional system.

Using novel techniques in neutron diffraction and spectroscopy, it is possible to probe the magnetic interactions between the atoms within a system and to determine the excitations of the ground states. Measurements were performed with the new polycrystalline samples Ba(Dy,Ho)2O4, prepared by solid state reaction. Combined with the detailed calculation of the crystal electric field, it was possible to demonstrate the independence of the magnetic orders located on each rare earth site. Thus, the refinement of the magnetic structures of both system shows the coexistence of two types of long range orders. In the two cases, a vast diffuse scattering is observed, which was modelled using a one- dimensional interaction model between the nearest and next-nearest neighbours. These correlations persist at temperatures well below the magnetic transitions temperatures, a sign that there are sites where magnetic order and fluctuations are in cohabitation.

Another characteristic of this family of compounds is the assumption of field induced magnetic phase. In SrHo2O4, measurements of the magnetic field dependence of the magnetization show the presence of a large plateau located at one third of the total magnetization. This induced phase was characterized using neutron diffraction on single crystals grown with an optical floating zone furnace. Indeed, the application of a magnetic field uncovers a transition of one of the magnetic sites from a double Néel to a short range intermediary phase. The refinement of the structure, complex due to the short range nature of the interactions, suggests on one hand the presence of a non-uniform magnetization of a site, and on the other, the presence of a transversal magnetic moment.

The first chapter of this thesis reviews the concepts of theoretical magnetism to de- fine the frustration. The next chapter is a short literature review of the systems studied, outlining the principal characteristics of the crystalline and magnetic structures, as well as the development of plateaux in magnetization. The third chapter presents the characterization of the magnetic structure of BaDy2O4 and BaHo2O4 through neutron diffraction and neutron spectroscopy. At last, the magnetic field-induced phase in SrHo2O4 is described.