Jeffrey Quilliam

Fig. 1: Des spectres RMN de ⁵¹V dans le système antiferromagnétique kagome Vesignieite.

La RMN de l’état solide utilise les spins nucléaires dans un matériau pour obtenir la distribution de champs magnétiques internes. Un champ magnétique élevé et homogène, H₀, est appliqué pour polariser les spins nucléaires. Puis, des pulses rf perpendiculaires sont appliqués avec pour résultat que les spins basculent et précessent à une fréquence f = H₀γ/2π, où γ est le rapport gyromagnétique du noyau. Les variations en fréquence de cette précession sont une sonde sensible des variations du champ magnétique dans l’échantillon. De plus, avec le taux de relaxation de la précession, on peut sonder les fluctuations de spins électroniques dans un matériau. Des spectres RMN de ⁵¹V dans le système antiferromagnétique kagome Vesignieite [1] sont présentés en Fig. 1.

[1] J. A. Quilliam et al. Physical Review B 84, 180401(R) (2011). Travaux faits dans le groupe de P. Mendels, Laboratoire de Physique des Solides.

Fig. 4: Polarisation de muons en fonction du temps dans Ba₃LuRu₂O₉ à différentes températures. Les oscillations vues à basse température indiquent un order magnétique à longue portée.

La µSR est une sonde locale qui est basée sur les mêmes principes que la RMN. Au lieu d'utiliser les spins nucléaires qui se trouvent dans un matériau, les manips de µSR nécessitent l'implantation d'un muon dans l'échantillon où il va précesser dans les champs magnétiques internes. Quand le muon se désintègre après quelques µs, il produit un positron qui a tendance à se propager dans la direction du spin, ce qui permet de suivre la précession des muons. La production de muons n'est pas facile et les expériences de µSR ne peuvent être faites que dans quelques installations dans le monde (Vancouver, Suisse, Angleterre et Japon). Cependant, c'est une technique extrêmement sensible et efficace qui est indispensable pour l’étude du magnétisme.

[2] D. Ziat et al. Accepté pour publication dans Physical Review B (2017).

Fig. 3: Chaleur spécifique de Yb₂Ti₂O₇.

La chaleur spécifique, définie comme l’énergie nécessaire pour changer la température d’un échantillon, est une propriété thermodynamique fondamentale qui fournit des informations utiles sur presque tous les matériaux et tous les phénomènes physiques dans la matière condensée. Cependant, à basses températures, les mesures calorimétriques deviennent très difficiles et demandent une thermométrie très précise en prêtant attention aux pertes et aux excès de chaleur. On voit, en Fig. 3, des mesures de la chaleur spécifique de Yb₂Ti₂O₇ [3], qui montrent des changements importants entre des monocristaux et des poudres à une transition éventuellement décrite comme une transition Higg’s [4].

[3] K. A. Ross et al. Physical Review B 84, 174442 (2011). Mesures faites à l'Université de Waterloo dans le groupe de J. Kycia.

[4] L.-J. Chang et al. Nature Communications 3, 992 (2012).

Fig. 2: La dynamique de monopoles magnétiques dans Ho₂Ti₂O₇, sondée par un SQUID.

Une des méthodes les plus effectives pour étudier des matériaux magnétiques est, naturellement, la mesure de leur aimantation ou de leur susceptibilité magnétique. Dans mon laboratoire, on effectue ce genre d'expérence avec des susceptomètres conventionnels (basés sur le principe d'induction magnétique) ou avec un SQUID (Superconducting QUantum Interference Device), la sonde du champ magnétique la plus sensible au monde. Les magnétomètres à base de SQUIDs donnent une mesure très précise de la magnétisation ou susceptibilité d'un échantillon et permettent d'accéder à une énorme gamme de fréquences de 1 mHz jusqu'à plusieurs kHz. Un tel magnétomètre est très utile pour l'étude de la dynamique lente comme celle qui se trouve dans les verres de spin, des aimants qui gèlent aléatoirement à une température de verre, T_g. De plus, cette technique est appliquée à l'étude des monopoles magnétiques qui ont été récemment découverts dans les matériaux magnétiques frustrés que l'on appelle des glaces de spin (des données sur Ho₂Ti₂O₇ sont montrées en Fig. 2) [2].

[2] J. A. Quilliam et al. Physical Review B 83, 094424 (2011). Travaux faits à l'Université de Waterloo dans le groupe de J. Kycia.

Fig. 5: Traces de la vitesse de son en fonction du champ magnétique dans un éventuel liquide de spin, SrDy₂O₄.

La mesure précise de la vitesse des ondes acoustiques dans un cristal peuvent offrir une indication très sensible de changements de phases variés. Dans des matériaux magnétiques, la vitesse de son peut être couplée à l'aimantation, à des paramètres d'ordre ou à des fluctuations de spin. On envoie des impulsions rf dans des transducteurs piezoélectriques collés sur une face d'un échantillon pour générer une onde sonore. On détect un signal électrique dans un autre transducteur de l'autre coté de l'échantillon ou mesure un écho dans le transducteur original. En déterminant la phase du signal réceoptionné, on peut quantifier des changements minuscules de la vitesse ultrasonore.

[4] C. Bidaud et al. Phys. Rev. B 93, 060404(R) (2016).

En général, ma recherche est dédiée aux propriétés de matériaux à basses températures. Avec l'hélium standard, ⁴He, on peut atteindre des températures près de 1 degré au-dessus du zéro absolu. Par contre, avec un réfrigérateur à dilution, qui contient un mélange de deux isotopes d'hélium (³He et ⁴He), on peut obtenir des températures de 20 mK ou plus froides!