Jeffrey Quilliam

The low-temperature phase diagram of Yb₂Si₂O₇, as determined with specific heat and sound velocity measurements.

Our project to study the new material Yb₂Si₂O₇ is soon to appear in Physical Review Letters. This system is a new rare-earth dimer magnet. In zero-field it has a singlet ground state, but the application of magnetic field closes the gap to triplet excitations and eventually induces antiferromagnetic order, which is related to Bose-Einstein condensation. Usually such physics is demonstrated using transition-metal ions (for example cuprates). Here, the use of a rare-earth ion with the potential for a complicated single-ion Hamiltonian is a first. One major advantage of this material is the very low critical fields as compared to many transition-metal ion systems.

This project was carried out in collaboratoin with the group of Kate Ross at Colorado State University. Our group contributed some low-temperature specific heat measurements (Djamel Ziat) and the ultrasound velocity measurements (Léo Berges).

[1] G. Hester et al. Phys. Rev. Lett. 123, 027201 (2019).

Specific heat and neutron diffraction intensity showing a clear phase transition at 350 mK.

Our work on the pyrochlore magnet Sm₂Ti₂O₇ has been published in PRB Rapid. This material is found to exhibit all-in all-out magnetism (as opposed to the two-in two-out state observed in spin ice, for example). Djamel Ziat's low-temperature specific heat measurements showed clear evidence of a phase transition at around 350 mK, providing an important contribution to this paper.

[1] C. Mauws et al. Phys. Rev. B 98, 100401(R) (2018).

Magnetic phase diagram of Li₂In_1-xSc_xMo₃O₈, showing antiferromagnetic, spin liquid and mixed phases.

In this work [1] we studied a series of materials, Li₂In_1-xSc_xMo₃O₈, which can be described as a 1/6th filled breathing kagome lattice. A kagome lattice is a corner-sharing network of triangles that is considered to be one of the most highly frustrated lattices. In a "breathing" kagome lattice, the triangles that point upwards have one size and the triangles that point downwards have a different size. The ratio of these sizes is known as the breathing ratio. In these particular materials, only 1 in 3 sites of the kagome lattice is occupied by an electron and this adds a charge degree of freedom to the system.

The phase diagram that we have elucidated using µSR experiments suggests that the In / Sc ratio (x) tunes the system between frozen or ordered magnetism and a quantum spin liquid state. At critical values of x, the system appears to have a smaller breathing ratio (so is therefore closer to a perfectly symmetric kagome lattice) and has a spin liquid-like ground state. From susceptibility measurements, we infer that the change in breathing ratio causes charge ordering to occur. Specifically, for small breathing ratio, it is expected that the system can form a plquette charge order (PCO) where 3 electrons form a resonance on some of the hexagons of the kagome lattice [2]. This charge ordering appears to increase the furstration of the electron spins and thereby generate a quantum spin liquid.

[1] A. Akbari-Sharbaf et al. Phys. Rev. Lett. 120, 227201 (2018).

[2] G. Chen et al. Phys. Rev. B 93, 245134 (2016).

Les chercheurs de l'Institut Quantique ont obtenu un financement de 13 millions de dollars de la Fondation Canadienne d'Innovation (FCI)! Ce projet nous permettra de faire construire une nouvelle aile de la faculté des sciences pour accueillir l'Institut Quantique. Il va également nous permettre de monter une infrastructure de recherche partagée, incluant des plateformes cryogéniques et des appareils de mesure, qui sera accessible à tous les membres de l'Institut Quantique. Cliquez ici pour plus d'informations.

Diagramme de phase du GGG pour H//[110] obtenu par mesures de la vitesse de son à très basses températures.

Le grenat Gd₃Ga₅O₁₂, autrement appelé GGG, est un problème de longue date dans le domaine du magnétisme frustré. Les spins de Gd dans ce matériau se situent sur un réseau hyper-kagomé – un réseau 3-dimensionnel qui, comme le réseau kagomé bi-dimensionnel, consiste en des triangles liés par leurs sommets. En champ nul, ce matériau est un verre de spin non-conventionnel spin glass phase dans lequel il y a une coexistence d'ordre à courte portée, des spins aléatoirement gelés et des fluctuations de spin qui persistent jusqu'à très basse température. On dirait un espèce de «slush de spins». Une fois soumis à un faible champ magnétique, le GGG devient un liquide de spin. Ensuite, à plus fort champ, on trouve une «bulle» d'ordre antiferromagnétique. Malgré 20 ans d'études, le verre et liquide de spin de ce matériau restent mystérieux. Dans cet article [1], nous avons clarifié l'anisotropie du diagramme de phase. Notamment, nous avons démontré que, selon l'orientation du champ magnétique, on peut obtenir, soit une phase antiferromagnétique, soit deux phases antiferrromagnétiques distinctes. En plus, nos mesures dans à faible champ dans la phase de liquide de spin, suggèrent qu'il y a une bande d'énergie interdite (un «gap») dans le spectre d'excitations. Ce gap pourrait éventuellement être associé à des objets émergents – des anneaux de 10 spins – qui ont été récemment découverts par la diffusion de neutrons [2].

[1] A. Rousseau, J.-M. Parent et J. A. Quilliam, Physical Review B 96, 060411(R) (2017).

[2] J. A. M. Paddison et al., Science 350,179 (2015)

Structure de bande d'un semi-métal de Weyl.

Une équipe de chercheurs à l'Institut Quantique (Jeffrey Quilliam, Ion Garate, Louis Taillefer, André-Marie Tremblay et David Sénéchal) et Andrea Bianchi à l'Université de Montréal, a obtenu 162 000$ pour 3 ans pour étudier des semi-métaux de Weyl. Les semi-métaux de Weyl sont un équivalent tridimensionnel du graphène, dans lequel les porteurs de charge sont des fermions de Weyl, des quasi-particules relativistes avec une chiralité bien définie. Ces matériaux sont notables pour leurs propriétés topologiques dans le volume et sur les surfaces. Découverts juste en 2015, ces matériaux représentent l'un des sujets les plus actifs de la physique du solide.

Diagramme de niveaux d'énergie des dimères de Ru dans Ba₃MRu₂O₉.

Avec un ensemble de techniques expérimentales (rotation de spins de muons, mesures thermodynamiques et diffusion de neutrons), nous avons démontré que les matériaux Ba₃MRu₂O₉ peuvent être décrits par un modèle d'aimants moléculaires sur un réseau triangulaire. Ces systèmes consistent en dimères de Ru avec une valence mixte, c'est-à-dire un nombre impair (7) d'électrons existe sur chaque pair de Ru. Nos mesures indiquent qu'il faut considérer ces dimères d'être des unités moléculaires où les orbitales sont partagées entre les deux sites. Dépendant du rapport de l'énergie de liaison et du couplage de Hund, les dimères peuvent avoir un état fondamental de spin-3/2 (probablement le cas pour M=La) ou de spin-1/2 (ce qui est le cas pour M=Y, In et Lu). On montre un schéma des niveaux d'énergie pour le deuxième cas. Cette réalisation donne une nouvelle façon de générer des aimants quantiques frustrés.

D. Ziat et al., Physical Review B 95, 184424 (2017)

Des mesures de µSR qui montrent que le matériau 6HB-Ba₃NiSb₂O₉ ne s'ordonne pas à très basse température, suggérant qu'il soit un possible liquide de spin quantique.

Le 6HB-Ba₃NiSb₂O₉ est un nouveau matériau antiferromagnétique frustré. Bien qu'il soit basé sur des moments S=1, plus classiques que S=1/2, on présente des évidences d'un état de liquide de spin quantique. Nos mesures de rotation de spin de muon (µSR) démontrent qu'il n'y a aucun gel ni ordre magnétique dans ce composé jusqu'à 20 mK, une température minime par rapport à sa constante de Weiss de 80 K. Nos mesures de résonance magnétique nucléaire (RMN) révèlent un déplacement (susceptibilité locale) et un temps de relaxation, T₁, qui sont constants en température suggérant la présence d'excitations de spin sans gap. Grâce à sa structure compliquée, ce matériau est possiblement décrit par un model nid-d'abeille J₁-J₂ et ses propriétés bizarres pourraient être expliquées par un point critique quantique entre un crystal de lien de valence et un ordre Néel.

J. A. Quilliam et al., Physical Review B 93, 214432 (2016)

Diagramme de phase du liquide de spin SrDy₂O₄.

Dans cet article, on a étudié le liquide de spin frustré SrDy₂O₄ en fonction du champ magnétique et de la température. Un diagramme de phase complexe est révélé qui dépend fortement sur la direction du champ magnétique appliqué. Un dome d'ordre magnétique à longue portée (3-dimensionnel) est induit quand le champ est appliqué selon l'axe b mais aucune transition à température finie n'est observée pour d'autres directions du champ magnétique. Quand le système passe entre des phases de liquide de spin et d'ordre magnétique, on observe une irréversibilité importante. La “solidification” du liquide de spin procède par trois sauts abrupts tandis que le processus inverse fond l'ordre magnétique de façon continue. Notre article vient d'être publié dans PRB Rapid Communications comme choix de l'éditeur.

C. Bidaud et al., Physical Review B 93, 060404(R) (2016)

Le département de physique à l'Université de Sherbrooke vient de recevoir une subvention de 33,5M$ – la plus grande de l'histoire de l'université! Cette subvention, qui a été demandée par Alexandre Blais et plusieurs collègues, vise à regrouper les deux domaines de recherche principaux de notre département – les matériaux quantiques et l'information quantique – pour pouvoir développer de nouvelles technologies quantiques.

Lien vers l'annonce de l'UdeS

Diagramme de phase de Ba₃CoSb₂O₉ pour des champs magnétiques parallèle et perpendiculaire aux plans triangulaires.

Des mesures de vitesse ultrasonore effectuées par Maxime Lapointe-Major, Guy Quirion, Jeff Quilliam et Mario Poirier sur le premier matériau qui peut être décrit par un modèle antiferromagnétique, spin-1/2 sur un réseau triangulaire, Ba₃CoSb₂O₉, ont été publiées dans Physical Review B! Nos mesures ont offert un diagramme extrêmement précis des phases diverses induites sous champ magnétique dans ce système très intéressant. À basses températures, il est prédit qu'un antiferroaimant spin-1/2 sur un réseau triangulaire devrait s'ordonner avec une structure magnétique comportant un angle de 120 degrées entre des spins adjacents, tel qu'observé ici. Dans ce système, l'anisotropie joue un rôle important et selon la direction du champ magnétique, on trouve différentes séries de phases ordonnées. Nous montrons ici les phases obtenues pour H parallèle aux axes a et c. Une des phases que l'on observe pour H selon a est une phase "up-up-down" qui donne un plateau à 1/3 de l'aimantation totale et qui est stabilisée par des fluctuations quantiques.

De plus, nous avons découvert un ramollissement du réseau à très basse température (bien en dessous des transitions magnétiques). Ce comportement est surprenant et pourrait être relié à la dynamique de spin persistante qui est souvent observée dans des mesures de µSR dans des systèmes magnétiques frustrés.

[1] G. Quirion, M. Lapointe-Major, M. Poirier, J. A. Quilliam, Z. L. Dun and H. D. Zhou. Physical Review B 92, 014414 (2015).

Djamel change d'échantillons sur la ligne de faisceau M20 à TRIUMF.

Djamel, Aimé et Jeff sont partis à Vancouver, BC à TRIUMF, une des seules installations au monde où on peut effectuer des expériences de rotation de spin de muons (µSR). Nous avons étudié des systèmes composés de dimers de valence mixte sur un des réseaux triangulaires pour sonder les degrés de liberté de spin et de charge à basses températures. Il s'agit d'une collaboration avec Adam Aczel (ONRL) et Haidong Zhou (UTK).

La technique de µSR demande un cyclotron, autrement employé pour des expériences de la physique des particules. Les protons à haute énergie fournis par le cyclotron frappent une cible créant des pions qui se désintègrent pour produire des muons. Les muons ainsi créés sont 100% polarisés, leurs spins orientés dans la direction opposée de leur mouvement. Ces muons sont implantés dans l'échantillon. À l'arrivée d'un muon, un chronomètre très précis est déclenché et plusieurs microsecondes plus tard quand le muon se désintègre et qu'un positron est émis, l'horloge est arrêteé. La raison pour laquelle ce processus est utile est que les positrons sont émis préférentiellement selon la direction de polarisation du muon, nous permettant de suivre (typiquement avec un détecteur devant et derrière l'échantillon) la précession des muons. S'il n'y a pas de champs magnétiques à l'intérieur de l'échantillon, les spins des muons ne bougent pas et on maintient un signal plus élevé dans le détecteur derrière l'échantillon. Par contre, même des champs magnétiques extrêmement faibles vont induire une précession des muons et ceci nous donne un signal qui oscille entre les deux détecteurs.

Cette technique performante marche sans l'application d'un champ magnétique externe (ce qui n'est pas le cas pour la RMN) et peut détecter de minuscules moments magnétiques, ce qui est très important dans l'étude du magnétisme frustré et quantique.