Experimental and numerical study of a magnetic realization of a Bose-Einstein Condensate in a purely organic spin-1/2 quantum magnet (NIT2Py)

Abstract

Cette étude porte sur les propriétés magnétiques de cristaux stables à température ambiante composés de molécules organiques à radical libre du nom de NIT2Py. Les mesures de l’aimantation révèlent que chaque molécule a un moment magnétique dû à l’existence d’un électron non apparrié un spin 1/2. Son ordre magnétique est antiferromagnétique. La dépendance du champ issue de la mesure de l’aimantation isothermique à 0.5 K démontre un plateau 1/2 en aimantation. La limite de la phase de la température de champ qui atteint une loi de puissance près d’un point critique quantique, ayant un exposant critique de 1.47 (9), est compatible avec la valeur universelle de 3/2 pour un BEC 3D. La dépendance en température de la chaleur spécifique et l’effet magnétocalorique sont utilisés pour produire un diagramme de phases (H,T). Les phases ordonnées générées par un champ menant à la formation de dômes, ainsi que les niveaux de spins qui se croisent, ont été observées dans le NIT2Py. Ces deux caractéristiques sont des signatures de la réalisation magnétique d’un condensat de Bose-Einstein, et c’est la première fois qu’elles ont été observées dans un aimant quantique purement organique ayant un spin 1/2. Afin de mieux comprendre ce système, nous proposons ici un modèle hamiltonien de spins basé sur les interactions d’échange-Heisenberg. Pour évaluer les constantes du couplage d’échange (Js), nous utilisons des calculs de pointe pour la structure électronique basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité; combinés à l’approche de la symétrie brisée, et nous faisons également usage de l’approche de la cartographie énergétique. Ces méthodes nous fournissent les amplitudes des interactions d’échange du système ainsi que leur signe. Les interactions d’échange dominantes sont reliées à trois Js antiferromagnétiques. Un réseau magnétique, composé de la répétition d’un ensemble minimal de Js dominants, doit être construit. En fait, le réseau magnétique le plus approprié pour ce système, celui qui explique le mieux les propriétés magnétiques de NIT2Py, en est un composé de tétramères possédant chacun quatre spins avec deux interactions antiferromagnétiques entre trétramères. En faisant usage de l’approximation du champ moyen, nous pouvons établir un modèle d’aimantation pour le système de tétramères interagissants qui reproduit les propriétés magnétiques du système, comme celle de la saturation à deux niveaux avec un plateau intermédiaire à la mi-saturation. De plus, la diagonalisation exacte de l’hamiltonien de Heisenberg pour un système incluant quatre tétramères est effectuée afin de reproduire l’aimantation ainsi que d’autres propriétés thermodynamiques du système.

The research presented in this thesis focuses on studying the magnetic properties of a purely organic free radical molecule NIT2Py, which can condense into highly stable crystals at room temperature. The magnetization measurements reveal that each molecule carries a magnetic moment due to the existence of a spin-1/2 unpaired electron. The magnetic order is found to be antiferromagnetic (AFM). The field dependence of the magnetization isotherm measurement at 0.5 K shows a 1/2 magnetization plateau. Temperature dependence specific heat and magnetocaloric effect are used to produce the (H,T) phase diagram. In the vicinity of a quantum critical point, the (H,T) phase boundary moves towards a power law with a critical exponent of 1.47(9) that is compatible with the universal value of 1.5 for a 3D BEC. The dome-shaped field-induced ordering phases and the intersecting spin levels observed in NIT2Py are signatures of magnetic realisation of BEC, which is seen for the first time in a purely organic quantum spin-1/2 AFM.

We propose a relevant model spin Hamiltonian based on the Heisenberg exchange interactions. We exploit state-of-the art electronic structure calculations through density functional theory combined with the broken-symmetry and the energy mapping approaches to evaluate the exchange coupling constants (Js), which in turn provide us with the sign and strengths of the exchange interactions in the system. The strongest exchange interactions are found to be related to three AFM Js. An appropriate magnetic lattice, which is a repeat pattern of a minimal set of strong Js, is constructed. We found that the magnetic lattice consisting of spin tetramers, each having four spins with two intratetramer AFM interactions, explains the magnetic properties of NIT2Py. By resorting to mean-field approximation, we establish a magnetization model for a system of interacting tetramers, which can reproduce the magnetic properties of the system such as the two-step saturation with an intermediate plateau at half saturated magnetization. Furthermore, an exact diagonalization of the Heisenberg Hamiltonian for a system including four tetramers is carried out, and yields the magnetization and other required thermodynamic properties of the system.