Thèse Propriétés Magnétiques dans les Réseaux Octochlores H/F

Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : CEA / LLB - Laboratoire Léon Brillouin
Direction de la thèse : Françoise DAMAY-ROWE ORCID 0000000228889783
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-08-31T23:59:59

Ces dernières années, les progrès réalisés dans le domaine des aimants frustrés ont conduit à l'émergence de concepts innovants, notamment de nouvelles phases de la matière. Ces dernières ne présentent aucun ordre à longue portée (aucune rupture de symétrie), mais, dans les systèmes classiques, elles correspondent à un état fondamental hautement dégénéré [1-3]. Un exemple emblématique est celui de la glace de spin dans les pyrochlores : dans ce cas, la construction des configurations dégénérées repose sur une règle simple, qui stipule que la somme des quatre spins dans tout tétraèdre du réseau magnétique doit être nulle. Cette règle dite « règle de la glace » peut être comprise comme la règle de conservation d'un champ de jauge émergent. La preuve expérimentale de cette physique a été fournie par l'observation de points singuliers dans la fonction de corrélation spin-spin lors d'expériences de diffusion élastique des neutrons [4]. Ces points singuliers, appelés points de pincement (pinch-points), apparaissent parce que les corrélations du champ émergent sont de nature dipolaire, avec des corrélations spin-spin algébriques.

L'origine de cette physique réside dans la conjonction entre la connectivité du réseau, l'anisotropie et les interactions magnétiques, qui concourent à sélectionner des configurations où une contrainte locale entre les spins est préservée. Récemment, plusieurs auteurs ont proposé une généralisation de ce concept à d'autres géométries et d'autres contraintes [5, 6], comme par exemple le réseau « octochlore », formé d'octaèdres partageant leurs sommets. En fonction de la contrainte choisie, différents liquides de spin ont été prédits théoriquement.

Une réalisation expérimentale du réseau octochlore peut être trouvée dans les fluorures de terres rares KRE3F10, dont la structure cristalline forme un réseau de petits et grands octaèdres RE joints par les sommets. La physique des composés KRE3F10 est encore très mal connue, avec seulement quelques articles sur des mesures de magnétisation effectuées il y a deux décennies ([7, 8]). L'objectif de ce travail de doctorat sera donc de caractériser l'état fondamental de deux membres 'Kramers' du système KRE3F10 (RE = Dy3+, Er3+), afin d'identifier en particulier toute signature de la physique des liquides de spin suggérée par les travaux théoriques récents, et de mieux comprendre les contraintes qui y conduisent.

Magnetically frustrated networks as platforms to discover innovative concepts, such as new phases of matter.

The goal of the PhD work will be to characterize the ground state of two Kramers members of the KRE3F10 system (RE = Dy3+, Er3+), to identify in particular any signature of the spin liquid physics suggested by recent theoretical works, and better understand the constraints leading to it.

During this PhD you will :
-Perform macroscopic physical properties measurements at low temperature, such as magnetization, specific heat, etc..., to characterize thoroughly the ground state of the compound under investigation.
-Carry out neutron scattering experiments (diffraction and inelastic neutron scattering), to study crystal structures and lattice and magnetic dynamics, vs. temperature and magnetic field.

The PhD work will be performed at the Léon Brillouin Laboratory (LLB), under the supervision of S. Petit and F. Damay. LLB is a laboratory known worldwide for its expertise in neutron scattering techniques. Beam-time on neutron spectrometers will be requested in large-scale facilities such as ILL (Grenoble, France), PSI (Villigen, Switzerland), NIST (Gaithersburg, USA), etc. LLB also has a Quantum Design Physical Properties Measurement Systems for magnetisation and specific heat measurements (amongst others), down to 2 K and up to 9 T.
-Confront experimental results with theoretical calculations.