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Univ. Paris-Saclay

Déterminer le mécanisme à l'origine de la supraconductivité à haute température critique (Tc), découverte en 1986 dans des oxydes de cuivre , reste un défi majeur en physique au XXIe siècle. Dans ces matériaux, les corrélations entre les électrons sont telles qu’elles engendrent des propriétés électroniques et magnétiques totalement inédites, au nombre desquelles la mystérieuse phase de pseudo-gap (présentant une ouverture partielle d'un gap dans la structure électronique), de laquelle semble émerger la supraconductivité.

Une partie du voile entourant ce nouvel état de la matière vient d’être levé par la diffraction de neutrons polarisés, qui révèle au sein de la phase pseudo-gap l’existence d’une structure électronique originale, présentant des boucles de courant avec un ordre spatial complexe.

Michal Swierczewski, Alexis Chenneviere, Lay-Theng Lee, Plinio Maroni, Thomas Bürgi

Langmuir-Blodgett (LB) technique allows the deposition of gold nanoclusters (atomically precise nanoparticles below 2 nm in diameter) onto solid substrates with an unprecedented degree of control and high transfer ratios. Nanoclusters are expected to follow the crinkle folding mechanism, which promotes the formation of trilayers but kinetically disfavors the formation of the fourth layer. LB films of gold nanoclusters stabilized by thiolated ligand, Au38(SC2H4Ph)24, were prepared at a range of surface pressures in the bilayer/trilayer regime and their internal structure was analyzed with X-ray Reflectivity (XRR) and Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS). Bimodal atomic force microscopy (AFM) imaging was used to quantify the elastic modulus, which can be correlated with the topography at the same point on the surface. Nanocluster bilayers and trilayers exhibited the elastic moduli of ca. 1.2 GPa and 0.9 GPa respectively. Films transferred in the 20-25 mN/m surface pressure regime displayed a particular propensity to form highly vertically organized trilayers. Further compression resulted in disorganization of the layers. Crucially, the use of two cantilevers of contrasting stiffness for bimodal AFM measurements has demonstrated a new approach to quantify the mechanical properties of ultrathin films without the use of deconvolution algorithms to remove the substrate contribution.

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.10.081

I. Mirebeau et N. Martin, J. Appl. Cryst. (2022). 55, 1173-1183

The application is discussed of neutron methods to the study of reentrant spin glasses (RSGs), close to the transition towards a `canonical' spin glass (SG). The focus is on two emblematic systems, namely Au1−xFex and amorphous a-Fe1−xMnx. A set of experimental results is presented to highlight their peculiar static and dynamic properties. The role of small-angle neutron scattering (SANS) is stressed as an important tool to unravel the structure of these complex systems over mesoscopic length scales. Finally, recent SANS results performed under an applied magnetic field in the region of the RSG → SG transition are presented. They show that vortex-like defects are present in the RSG region up to the critical line and vanish in the SG region. These defects, which develop only in a ferromagnetic medium, could be a key feature to probe the emergence of long-range magnetic order.

Wen-Gen Zheng, Victor Balédent, Claire V. Colin, Françoise Damay, Jean-Pascal Rueff, Anne Forget, Dorothée Colson and Pascale Foury-Leylekian

It has been recently observed that a superconducting phase emerges under pressure in the Fe-based spin-ladders BaFe2X3 (X = S, Se). The low dimensionality of the Fe spin-ladders, which simplifies the elaboration of theoretical models, should help to understand the mechanism of superconductivity. We investigate here the frontier between magnetic and superconducting (SC) phases in BaFe2Se3 by performing challenging powder neutron diffraction (PND) and Fe Kβ x-ray emission spectroscopy (XES) under high pressure. We show that the ambient pressure ground state with a block-like magnetic order is destabilized under pressure. A pressure-induced antiferromagnetic stripe-like spin order, similar to the magnetic order of the parent superconductor BaFe2S3, is observed above 3-4 GPa. Our discovery shows that the stripe magnetic order is a key phase close to the SC dome and its particular magnetic fluctuations could be involved in the stabilization of superconductivity in Fe-based spin ladders.

https://doi.org/10.1038/s42005-022-00955-7

 

Marion Grzelka, Iurii Antoniuk, Éric Drockenmuller, Alexis Chennevière, Liliane Léger, and Frédéric Restagno

The role of the polymer volume fraction, ϕ, on steady-state slippage and interfacial friction is investigated for semi-dilute polystyrene solutions in diethyl phthalate in contact with two solid surfaces. Significant slippage is evidenced for all samples, with slip lengths b obeying a power law dependence. Navier’s interfacial friction coefficient, k, is deduced from the slip length measurements and from independent measurements of the solution viscosity η. The observed scaling of k versus ϕ clearly excludes a molecular mechanism of friction based on the existence of a depletion layer. Instead, we show that the data of η(ϕ) and k(ϕ) are understood when taking into account the dependence of the solvent friction on ϕ. Two models based on the friction of blobs or of monomers on the solid surface well describe our data. Both point out that Navier’s interfacial friction is a semi-local phenomenon.

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.0c02804

Une expérience proposée par des chercheurs de l'Université de l’Académie des sciences chinoise de Pékin en collaboration avec le CEA/Irig/D-Phy/MEM et le LLB révèle que les fluctuations du spin dans un supraconducteur à base de fer ont une direction privilégiée, ce qui suggère un mécanisme potentiel pour la supraconductivité dans ces matériaux.

 

J.C.Riedl, M.Sarkar, T.Fiuza, F.Cousin, J.Depeyrot, E.Dubois,G.Mériguet,R.Perzynski and V.Peyre

Some of the most promising fields of application of ionic liquid-based colloids imply elevated temperatures. Their careful design and analysis is therefore essential. We assume that tuning the structure of the nanoparticle-ionic liquid interface through its composition can ensure colloidal stability for a wide temperature range, from room temperature up to 200 °C.

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.017

 

Emil A. Klahn, Andreas M. Thiel, Rasmus B. Degn, Iurii Kibalin, Arsen Gukassov, Claire Wilson, Angelos B. Canaj, Mark Murrie and Jacob Overgaard

We present the magnetic anisotropy of two isostructural pentagonal-bipyramidal complexes, [Ln(H2O)5(HMPA)2]I3·2HMPA (HMPA = hexamethylphosphoramide, Ln = Dy, Ho). Using ac magnetic susceptibility measurements, we find magnetic relaxation barriers of 600 K and 270 K for the Dy- and Ho-compounds, respectively. This difference is supported by polarized neutron diffraction (PND) measured at 5 K and 1 T which provides the first experimental evidence that the transverse elements in the magnetic anisotropy of the Ho-analogue are significant, whereas the Dy-analogue has a near-axial magnetic anisotropy with vanishing transverse contributions. The coordination geometries of the two complexes are highly similar, and we attribute the loss of strong magnetic axiality as expressed in the atomic susceptibility tensors from PND, as well as the smaller relaxation barrier in the Ho-complex compared to the Dy-complex, to the less favorable interaction of the pentagonal bipyramidal crystal field with the characteristics of the Ho(III) 4f-charge distribution.

https://doi.org/10.1039/d1dt01959g

Les nanoparticules offrent de nouvelles propriétés spécifiquement liées à leur taille. Parmi-celles-ci, une bonne efficacité catalytique est attendue du fait de leur très grande surface spécifique. Les effets plasmoniques, oscillations électroniques collectives, à la fréquence de la lumière dans le domaine visible pour des particules nanométriques d'or, peuvent aussi être finement ajustés selon la taille et la forme des nanoparticules. Mais comment contrôler finement ces paramètres lors de la synthèse, et ce faisant ces propriétés plasmoniques ?

Un procédé original est proposé par les chercheurs de l’IRAMIS/LLB et leurs partenaires, où l'élaboration des nanoparticules est basé sur la réduction métallique d'ions AuCl4- (tetrachloroaurate) piégés dans des nano-moules organiques, par radiolyse aux rayons X [1].

 

Nécessaires à la réalisation de dispositifs quantiques aux propriétés originales, ou pour mettre en évidence des comportements originaux de la matière, les physiciens du solide explorent de nouveaux composés, à la recherche de matériaux aux propriétés nouvelles et spécifiquement quantiques. Un des objectifs de la physique de la matière condensée moderne est ainsi de mettre à jour et d’étudier de nouvelles phases quantiques de la matière, dont la description dépasse les modèles classiques. Une collaboration entre l'équipe NFMQ du laboratoire Léon Brillouin, l’Institut Néel et l’Université de Warwick, a ainsi mis en évidence un nouvel état magnétique, à très basse température, dans un oxyde de zirconium à structure pyrochlore : Nd2Zr2O7.

 

Michal Swierczewski, Plinio Maroni, Alexis Chenneviere, Mohammad M. Dadras, Lay-Theng Lee, Thomas Bürgi

Nanoscale particles attract much attention due to their size-dependent optical, electrical and chemical properties. Of particular interest are ultrasmall metal nanoclusters which experience strong quantum confinement effect leading to profound changes in the atomic packing structure. The synthesis of these atomically precise metal clusters, typically with metal cores smaller than 2 nm in diameter, makes use of stabilizing functional molecules such as thiol ligands, hence deriving the common name – monolayer-protected clusters (MPCs). The next stage toward applications and at the same time a challenge in the field, is the manipulation and controlled organization of MPCs into two dimensional (2D) superlattices which would exhibit a collective response of the desired kind. Multiple examples of deposition techniques have been extensively studied, including droplet evaporation, spin-coating and chemical vapor deposition. However, a common drawback of all these methods is the failure to form large-scale structures of closely packed particles. Here, we study the formation and deposition of extended thin films of Au38(SC2H4Ph)24 nanoclusters onto solid supports by the Langmuir-Blodgett (LB) method. A combination of techniques, atomic force microscopy (AFM), high magnification transmission electron microscopy (TEM), X-ray reflectivity (XRR), and grazing incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) is applied to reveal the morphology and the degree of vertical and in-plane ordering of the transferred films. We find that while a degree of order is initially obtained between the clusters, temporal annealing of the compressed films successfully removes mesoscopic defects between islands of nanoclusters but that it does so at the cost of reducing the local order within the domains. To our knowledge, this is the first reported example of the deposition on an extended scale (several cm2) of ordered gold nanoclusters in the small size regime of 1 – 2 nm.

https://doi.org/10.1002/smll.202005954

J. Wolanin, L. Michel, D. Tabacchioni, J. M. Zanotti, J. Peters, I. Imaz, B. Coasne, M. Plazanet, and C. Picard

With their strong confining porosity and versatile surface chemistry, zeolitic imidazolate frameworks—including the prototypical ZIF-8—display exceptional properties for various applications. In particular, the forced intrusion of water at high pressure (∼25 MPa) into ZIF-8 nanopores is of interest for energy storage. Such a system reveals also ideal to study experimentally water dynamics and thermodynamics in an ultrahydrophobic confinement. Here, we report on neutron scattering experiments to probe the molecular dynamics of water within ZIF-8 nanopores under high pressure up to 38 MPa. In addition to an overall confinement-induced slowing down, we provide evidence for strong dynamical heterogeneities with different underlying molecular dynamics. Using complementary molecular simulations, these heterogeneities are found to correspond to different microscopic mechanisms inherent to vicinal molecules located in strongly adsorbing sites (ligands) and other molecules nanoconfined in the cavity center. These findings unveil a complex microscopic dynamics, which results from the combination of surface residence times and exchanges between the cavity surface and center.

https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.1c06791

 

T. Fiuza, M. Sarkar, J. C. Riedl, A. Cebers, F. Cousin, G. Demouchy, J. Depeyrot, E. Dubois, F. Gelebart, G. Meriguet, R. Perzynski and V. Peyre

Ferrofluids based on maghemite nanoparticles (NPs), typically 10 nm in diameter, are dispersed in an ionic liquid (1-ethyl 3-methylimidazolium bistriflimide – EMIM-TFSI). The average interparticle interaction is found to be repulsive by small angle scattering of X-rays and of neutrons, with a second virial coefficient A2 = 7.3. A moderately concentrated sample at F = 5.95 vol% is probed by forced Rayleigh scattering under an applied magnetic field (up to H = 100 kA m1 ) from room temperature up to T = 460 K. Irrespective of the values of H and T, the NPs in this study are always found to migrate towards the cold region. The in-field anisotropy of the mass diffusion coefficient Dm and that of the (always positive) Soret coefficient ST are well described by the presented model in the whole range of H and T. The main origin of anisotropy is the spatial inhomogeneities of concentration in the ferrofluid along the direction of the applied field. Since this effect originates from the magnetic dipolar interparticle interaction, the anisotropy of thermodiffusion progressively vanishes when temperature and thermal motion increase.

https://doi.org/10.1039/d0sm02190c

 

Christopher D. O’Neill, Gino Abdul-Jabbar, Didier Wermeille, Philippe Bourges, Frank Krüger, and Andrew D. Huxley

Quantum order by disorder revealed 
 
Ferromagnets are ubiquitous in everyday life, present in household items ranging from fridge-magnets on a fridge door to the sensors and motors inside, while dozens can be found in an average car. As temperature is raised ferromagnetic order disappears, but more rarely the formation of more fascinating states can occur in which the uniform magnetic order is replaced by a static magnetic wave. One mechanism for this is known as quantum order by disorder; the wave (the order) forms because it has more low energy excited states (the disorder) available to it than the uniform state and this lowers its energy, offsetting the energy cost of producing the wave.  In a recent paper appearing in Physical Review Letters such a static oscillation was achieved for the first time by applying a magnetic field at right angles to the easy axis moment in a ferromagnet, allowing the resulting increase in magnetic excitations to be clearly seen with neutron scattering.  In the long term the creation of such magnetic oscillations with variable pitch could be useful, for example, to make magnetic diffraction gratings for spintronics.
 

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.197203

Julie Wolanin, Jérôme Giraud, Claude Payre, Marianne Benoit, Claire Antonelli, Damien Quemener, Iliass Tahiri, Matthieu Vandamme, Jean-Marc Zanotti, and Marie Plazanet, Review of Scientific Instruments 92 (2021) 024106

In comparison to condensed matter, soft matter is subject to several interplaying effects (surface heterogeneities and swelling effect) that influence transport at the nanoscale. In consequence, transport in soft and compliant materials is coupled to adsorption and deformation phenomena. The permeance of the material, i.e., the response of the material to a pressure gradient, is dependent on the temperature, the chemical potential, and the external constraint.

Therefore, the characterization of water dynamics in soft porous materials, which we address here, becomes much more complex. In this paper, the development of an original setup for scattering measurements of a radiation in the transmitted geometry in oedometric conditions is described. A specially designed cell enables a uniaxial compression of the investigated material, PIM-1 (Polymers of Intrinsic Microporosity), in the direction perpendicular to the applied hydraulic pressure gradient (up to 120 bars). High pressure boosting of the circulating water is performed with a commercially available high-pressure pump Karcher. This particular setup is adapted to the quasi-elastic neutron scattering technique, which enables us to probe diffusion and relaxation phenomena with characteristic times of 10−9 s–10−12 s. Moreover, it can easily be modified for other scattering techniques.

https://doi.org/10.1063/5.0030297

Chang Liu, Wenxian Hu, Hanqiu Jiang, Guoming Liu*, Charles C. Han, Henning Sirringhaus, François Boué, and Dujin Wang

The determination of intrinsic chain stiffness of conjugated polymers is challenging, in particular, for scattering techniques because of their strong light absorption and structural instability due to the complicated intra-/intermolecular interactions. In this work, the chain conformation and aggregation formation of a high charge mobility donor–acceptor polymer (DPPDTT) are systematically investigated by using small-angle neutron scattering (SANS) and static/dynamic light scattering (SLS/DLS). On the one hand, chloroform was chosen as a good solvent, in which SANS reveals a rod-like geometry with a radius of ∼15 Å. Once the absorption effect is properly accounted for, SLS shows a power law of 1 between the radius of gyration (Rg) and molecular weight (Mw) and a negative second virial coefficient (A2). On the other hand, 1,2-dichlorobenzene was chosen as a poor solvent, in which SANS, SLS/DLS, and atomic force microscopy (AFM) reveal a strong temperature-/concentration-dependent assembling behavior. The results provide a general picture of the multiscale assembly process of conjugated polymers.

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.0c01646

La thermoélasticité décrit la variation des propriétés élastiques d'un corps solide en fonction de sa température. Pour un fluide incompressible, les coefficients thermoélastiques, dilatation isobare et compressibilité isotherme, sont en pratique nuls. Pour être non nuls, il est nécessaire que des interactions à longue portée soient présentes, mais ceci est a priori exclu de par la définition même de l’état liquide.

Une équipe du LLB vient cependant de mettre en évidence des propriétés thermoélastiques pour un liquide dans des conditions usuelles de pression. Ils observent qu'un liquide ordinaire présente une modulation de température sous l'application d'une contrainte mécanique de cisaillement à basse fréquence (~1 Hz) : le liquide se divise en bandes thermiques chaudes et froides, de plusieurs dixièmes de microns de large et variant de manière synchrone avec la déformation. Ce couplage thermomécanique ainsi mis en évidence est une preuve que l'énergie de l’onde de cisaillemente n'est pas totalement dissipée au niveau moléculaire du fait de la viscosité du fluide, mais qu'une partie est convertie adiabatiquement (i.e. sans échange avec l’extérieur) en états thermodynamiques locaux. Ceci est en accord avec de nouveaux modèles théoriques, pour lesquels les liquides ont des propriétés élastiques non-extensives qui s’étendent jusqu’à l’échelle de plusieurs dizaines de microns*.

En outre, la transformation quasi-instantanée de l'énergie de déformation, sous la forme d'une modulation locale de température, implique que les fluctuations (thermiques) de densité sont corrélées à longue distance. Le couplage thermomécanique ainsi mis en évidence a des implications directes pour l’étude des liquides physiologiques. Il pourrait également permettre de réaliser de nouveaux convertisseurs de température, en particulier en microfluidique.

*Tel que "les modèles k-gap", où les modes acoustiques présentent un gap dans l'espace réciproque [7].

 

K. Beauvois, V. Simonet, S. Petit, J. Robert, F. Bourdarot, M. Gospodinov, A.A. Mukhin, R. Ballou, V. Skumryev, and E. Ressouche

The research field of magnetic frustration is dominated by triangle-based lattices but exotic phenomena can also be observed in pentagonal networks. A peculiar noncollinear magnetic order is indeed known to be stabilized in Bi2Fe4O9 materializing a Cairo pentagonal lattice. We present the spin wave excitations in the magnetically ordered state, obtained by inelastic neutron scattering. They reveal an unconventional excited state related to local precession of pairs of spins. The magnetic excitations are then modeled to determine the superexchange interactions for which the frustration is indeed at the origin of the spin arrangement. This analysis unveils a hierarchy in the interactions, leading to a paramagnetic state (close to the Néel temperature) constituted of strongly coupled dimers separated by much less correlated spins. This produces two types of response to an applied magnetic field associated with the two nonequivalent Fe sites, as observed in the magnetization distributions obtained using polarized neutrons.

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.127202

La compréhension de la façon dont les spins s'orientent et peuvent être manipulés aux échelles très rapide, pico et femtoseconde, a des implications pour les applications de traitement et de stockage des données ultra-rapides et à faible consommation d'énergie.

Une équipe de recherche internationale à laquelle contribue Jean-Eric Wegrowe du Laboratoire des solides irradiés met en évidence expérimentalement la dynamique intrinsèque du spin inertiel dans les couches minces ferromagnétiques, sous la forme d'une nutation de l'aimantation à une fréquence de ~0,5 THz. Ceci montre que le temps de relaxation du moment angulaire dans les ferromagnétiques est de l'ordre de la dizaine de picosecondes.

Ce travail a été publié dans Nature Physics le 28 septembre 2020.

 

We show by X-ray and neutron small-angle scattering that gold nanoparticles with controlled sizes and morphologies can be obtained by the metallic reduction of AuCl4 ions trapped in 3D organic molds by X-ray radiolysis. The molds are spherical frozen micelles of polystyrene-b-poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PS-b-PDMAEMA) block copolymer in acidic aqueous solution with a PS spherical core surrounded by a corona of PDMAEMA chains in good solvent. The behavior of micelles is controlled by the [AuCl4]/[DMAEMA] ratio RAuCl4/DMAEMA. At low gold concentration, AuCl4 ions condense on the positively charged DMAEMA moieties without changing the behavior of the PDMAEMA chains. At intermediate gold concentration, the ions induce a progressive contraction of the corona’s chains and dehydration of micelles. At large gold concentration, the corona becomes a fully dry phase loaded with gold ions, which induces micelle aggregation. Radiolysis of the solution by an intense X-ray beam produces different types of gold nanoparticles with respect to RAuCl4/DMAEMA and irradiation time. At RAuCl4/DMAEMA = 0.033, irradiation produces in the first step gold clusters in the micelle corona which in the second step merge to form nanoparticles of a similar size to that of the micelle. Conversely, at RAuCl4/DMAEMA = 0.33, micelles do not operate as templates but only as nucleation zones and large nanoparticles grow outside the micelles.

http://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c00554

La recherche de nouveaux états de la matière, allant au-delà de la description classique "à la Landau" suscite un très fort engouement en physique. Dans cette perspective, les travaux théoriques orientent ces recherches vers les systèmes présentant des "ordres topologiques", tels que certains "liquides de spin quantiques" et autres états fortement corrélés, caractérisés en particulier par l’absence de symétrie brisée.

Sur le plan expérimental, c’est la recherche d’une contrepartie quantique des "glaces de spins" qui a retenu l’attention. Ces composés forment un analogue magnétique de la glace d’eau, où le comportement des spins reflète exactement celui du désordre des protons dans H2O.

Une équipe internationale formée de chercheurs du PSI (Suisse), du Stanford Institute for Materials and Energy Science (USA), de l’Institut Néel à Grenoble et du LLB à Saclay a mis en évidence par diverses techniques, dont la diffusion des neutrons, un exemple de cette contrepartie quantique des glaces de spin. Plus précisément, il s’agit d’un état "glacé" particulier, où la distribution octupolaire de la densité électronique joue le rôle des moments magnétiques dans les glaces de spins classiques. L’étude des interactions montre que l’état fondamental est constitué d’une superposition quantique d’états intriqués, confirmant ainsi les prédictions théoriques sur les liquides de spins quantiques.

de Oliveira-Silva, Rodrigo; Bélime, Agathe; Le Coeur, Clémence; Chennevière, Alexis; Helary, Arnaud; Cousin, Fabrice; Judeinstein, Patrick; Sakellariou, Dimitrios; Zanotti, Jean-Marc

In soft condensed matter, Small Angle Neutron Scattering (SANS) is a central tool to probe structures with characteristic sizes ranging from 1 to 100 nm. However, when used as a standalone technique, the dynamic properties of the sample are not accessible. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a versatile technique which can easily probe dynamical information. Here, we report on the coupling of a low-field NMR system to a SANS instrument. We show that this original set-up makes it possible to obtain structural information and to simultaneously extract in situ on a same sample, long-range translational diffusion coefficient, T1T1 and T2T2 nuclear spin relaxation times. Such a feature is of major interest when a sample experiences a transient physical state or evolves rapidly. We illustrate the capabilities of alliancing these experimental methods by following the critical temperature-induced phase separation of a concentrated Poly(Methacrylic Acid) solution at its Lower Critical Solution Temperature. The characteristic size related to the domain growth of the polymer-rich phase of the gel is monitored by the evolution of the SANS spectra, while the dynamics of the sol phase (H2O and polymer) is simultaneously characterized by NMR by measuring T1T1, T2T2 and the diffusion coefficient. Great care has been taken to design a cell able to optimize the thermalization of the sample and in particular its equilibration time. Details are given on the sample cell specifically designed and manufactured for these experiments. The acquisition time needed to reach good signal-to-noise ratios, for both NMR and SANS, match: it is of the order of one hour. Altogether, we show that in situ low-field NMR/SANS coupling the NMR is meaningful and is a promising experimental approach.

DOI

M. Ruminy, S. Guitteny, J. Robert, L.-P. Regnault, M. Boehm, P. Steffens, H. Mutka, J. Ollivier, U. Stuhr, J. S. White, B. Roessli, L. Bovo, C. Decorse, M. K. Haas, R. J. Cava, I. Mirebeau, M. Kenzelmann, S. Petit, and T. Fennell

Tb2Ti2O7 presents an ongoing conundrum in the study of rare-earth pyrochlores. Despite the expectation that it should be the prototypical unfrustrated noncollinear Ising antiferromagnet on the pyrochlore lattice, it presents a puzzling correlated state that persists to the lowest temperatures. Effects which can reintroduce frustration or fluctuations are therefore sought, and quadrupolar operators have been implicated. One consequence of strong quadrupolar effects is the possible coupling of magnetic and lattice degrees of freedom, and it has previously been shown that a hybrid magnetoelastic mode with both magnetic and phononic character is formed in Tb2Ti2O7 by the interaction of a crystal field excitation with a transverse-acoustic phonon. Here, using polarized and unpolarized inelastic neutron scattering, we present a detailed characterization of the magnetic and phononic branches of this magnetoelastic mode, particularly with respect to their composition, the anisotropy of any magnetic fluctuations, and also the temperature dependence of the different types of fluctuation that are involved. We also examine the dispersion relations of the exciton branches that develop from the crystal field excitation in the same temperature regime that the coupled mode appears, and find three quasidispersionless branches where four are expected, each with a distinctive structure factor indicating that they are nonetheless cooperative excitations. We interpret the overall structure of the spectrum as containing four branches, one hybridized with the phonons and gaining a strong dispersion, and three remaining dispersionless.

https ://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.224431

La métrologie (spectroscopie, mesures de temps ou de distances) ou encore la réalisation de réseaux optiques quantiques nécessitent des sources de photons uniques efficaces. Une équipe du SPEC à Saclay, en collaboration avec l'IQST d'Ulm en Allemagne, démontre expérimentalement une voie originale pour obtenir une source de photons microonde uniques, simple, efficace et brillante. Cette nouvelle voie exploite un régime de fort couplage lumière-matière rendu accessible grâce aux développements récents des circuits électriques quantiques.

 

Souha Ben Mahmoud, Wafa Essafi, Annie Brûlet and François Boué

The chain conformation in sulfonated polystyrene PSSNa of a degree of sulfonation 0.34 ≤ f ≤ 1, i.e., of various hydrophobicity, is followed in mixtures of water and increasing content of tetrahydrofuran (THF), a good solvent of the hydrophobic polystyrene moieties (which improves the solvent quality of the mixture). This is achieved by measuring the chain form factor by small-angle neutron scattering using the zero average contrast method (ZAC). Polymer concentrations 0.17 and 0.34 M correspond in our case to the semidilute regime or its limit with dilute regime depending on the chain conformation. The main result is the monitoring with added THF of the pearl necklace conformation. This heterogeneous structure, made of wormlike chain parts (strings) and pearls, was observed formerly in water: when f decreases, the string contribution decreases, and the pearls size, characterized by a maximum in Kratky q2S1(q) representation, slightly increases. Here we see that in the presence of increasing content of added THF (i) the pearls contribution decreases, as expected, and (ii) their size does not change by more than 10% in most cases (30% at the most). Among different modeling, the most complete has been done following the pearl necklace models of Schweins, Huber et al. and Lages, Huber et al.; beyond the size and distribution of pearls, it addresses the radius of gyration, the correlation distance between spheres, weakly visible, and, importantly their number N. The values of Rg, as well as the modeling, suggest that while the sphere size varies a few, N decreases clearly with added good solvent. A link with the simulation of Liao et al. can be found. A second result, important in practice, is that all modeling of the scattering establishes that THF addition makes vanish an excess of low q scattering due to large compact spheres present in water. A third result is obtained after a “THF treatment” procedure, consisting of adding THF and then removing it by evaporation: (i) the spherical aggregates are washed out, and (ii) the pearl necklace conformation of the chain returns to the one in water solution before treatment. Therefore, the pearl necklace conformation of the hydrophobic polyelectrolyte in aqueous solution appears to be in an annealed equilibrium state resulting from hydrophobic attraction and electrostatic repulsion.

DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00990

Béatrice Gillon, Albert Hammerschmied, Arsen Gukasov, Alain Cousson, Thomas Cauchy, Eliseo Ruiz, John A. Schlueter, Jamie L. Manson

We report neutron‐diffraction investigations of the quasi‐2D MnII(dca)2(pym)(H2O) (pym = N2C4H4) compound, where high‐spin MnII ions are bridged by dicyanamide anions, [N(CN)2] (herein abbreviated dca). Inside the layers, Mn2+ ions are connected by single or double dca bridges. The magnetic phase diagram was established by neutron diffraction on a single crystal. In the low‐field phase, the MnII ions are antiferromagnetically ordered in the layers, with moments nearly parallel to the c axis, and the layers are antiferromagnetically coupled. The spin‐flop phase corresponds to ferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layers, in which the MnII moments are nearly perpendicular to the c axis. The induced spin‐density distribution in the paramagnetic phase, determined by polarized neutron diffraction, visualizes the superexchange pathways through the dca ligands within the layers and through H bonding between neighboring layers. The theoretical spin density obtained by bidimensional periodic DFT calculations is compared with the experimental results. Furthermore, quantum Monte Carlo simulations have been performed to compare the DFT results with experimental susceptibility measurements.

https://doi.org/10.1002/ejic.201700971

Les transitions de phase sont des phénomènes physiques bien connus, qui font partie de notre vie quotidienne : l’eau liquide gèle à 0°c, bout à 100 °C ; certains métaux comme l’étain (étain blanc et étain gris) changent de structure cristalline en fonction de la température... Mais certaines de ces transitions peuvent être de nature bien différente, en lien avec l'existence de défauts "topologiques", qui ne peuvent apparaitre ou disparaitre qu'accompagnés de leurs anti-défauts

Une collaboration de théoriciens et d'expérimentateurs, dont des spécialistes de diffusion de neutrons, s’est intéressée à un matériau quantique unidimensionnel : BaCo2V2O8 (BACOVO). L'étude montre qu’il s’agit d’un système modèle pour l’étude d’une nouvelle transition de phase topologique, gouvernée non pas par un seul, mais par deux types d’excitations topologiques, qui sont de plus quantiquement conjuguées : l'application d'un champ magnétique externe permet de piloter, le système que l'on peut placer dans chacune des phases où une des deux excitations est dominante.

 

We report on the self-assembly behavior of poly(2-methyl-2-oxazoline)–block–poly(2-octyl-2-oxazoline) comprising different terminal perfluoroalkyl fragments in aqueous solutions. As reported previously [Kaberov et al. (2017)] such polyphiles can form a plethora of nanostructures depending of the composition and on the way of preparation. Here we report, for the first time, detailed information on the internal structure of the nanoparticles resulting from the self-assembly of these copolymers. Small-angle neutron and X-ray scattering (SANS/SAXS) experiments unambiguously prove the existence of polymersomes, wormlike micelles and their aggregates in aqueous solution. It is shown that increasing content of fluorine in the poly(2-oxazoline) copolymers results in a morphological transition from bilayered or multi-layered vesicles to wormlike micelles for solutions prepared by direct dissolution.

In contrast, nanoparticles prepared by dialysis of a polymer solution in a non-selective organic solvent against water are characterized by SAXS method. The internal structure of the nanoparticles could be assessed by fitting of the scattering data, revealing complex core-double shell architecture of spherical symmetry. Additionally, long range ordering is identified for all studied nanoparticles due to the crystallization of the poly(2-octyl-2-oxazoline) segments inside the nanoparticles.

DOI : https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.01.007

D. Bounoua, R. Saint-Martin, S. Petit, P. Berthet, F. Damay, Y. Sidis, F. Bourdarot, and L. Pinsard-Gaudart, Phys. Rev. B 95, 224429

The low energy magnetic excitations spectra of the pristine and doped quasi-one-dimensional spin chains cuprates SrCuO2 have been investigated by inelastic neutron scattering. The momentum-integrated magnetic dynamical structure factor yields a constant integrated intensity with regard to energy in the pure compound, while it shows a strong decay, at low energies, in the compounds doped with nonmagnetic impurities, namely, SrCu0.99M0.01O2 (with M=Zn or Mg) and Sr0.99La0.01CuO2 (Cu+ carrying S=0 created within the chains). These results evidence the opening of a spin pseudogap in the two-spinon continuum of SrCuO2 upon doping, stemming from disruptions of the spin chains by quantum impurities.

Le collagène est la protéine la plus abondante dans le corps humain, et sa structure particulière en triple hélice est à l’origine de propriétés mécaniques spécifiques au cartilage (élasticité, robustesse…), dont il est le composant majoritaire. Une collaboration entre physiciens, chimistes et radiobiologistes du laboratoire CIMAP étudie depuis quelques années l’irradiation du cartilage afin d’améliorer le traitement des tumeurs associées par hadronthérapie. Dans ce contexte, des expériences ont été menées sur des systèmes moléculaires isolés modèles de la triple hélice du collagène. Les résultats montrent que cette structure existe en l’absence de tout solvant, et que ses propriétés de stabilité sont les mêmes que dans les tissus biologiques. L’hypothèse longtemps admise d’une influence de l’eau est donc sans doute à exclure.

 

La richesse de la structure électronique de certains matériaux, dits "à électrons fortement corrélés", leur confère de nombreuses propriétés de nature intrinsèquement quantique, telles que la supraconductivité, ou encore l'état d'isolant de Mott (localisation des électrons de conduction) ou de liquide de spin (état magnétique frustré) [1]. Plusieurs interactions électroniques sont responsables de ces fortes corrélations : au-delà de la simple interaction électrostatique, attractive avec les noyaux des atomes et répulsive entre électrons, on trouve l'interaction résultant du principe d'exclusion de Pauli, qui interdit l'occupation d'un même état par deux électrons, et l'interaction spin-orbite (interaction relativiste entre la vitesse d'un électron et son spin).

Parmi ces matériaux, les chercheurs du LLB, en collaboration avec le Laboratoire de Physique du Solide d'Orsay, montrent que des composés iridates (anion d'iridium) à structure pérovskite présentent à basse température un nouvel état magnétique [2], généré, selon un modèle similaire à celui proposé pour les supraconducteurs à haut Tc, par des boucles de courant de la taille de la maille cristalline [3]. Les similitudes structurales et de propriétés électroniques entre les deux familles de composés éclairent d'un jour nouveau les différents états des solides à électrons fortement corrélés, aux nombeuses applications (électronique de spin, capteurs magnétiques, supraconducteurs, ...) .

Liquide et solide désordonné se distinguent en premier lieu par leur viscosité : l'un coule, l'autre pas. Mais existe-t-il de réelles différences de structure entre ces deux états de la matière et quelle est la nature exacte la transition "vitreuse" qui les sépare ? Si des réponses ont pu être apportées pour des liquides composés d'atomes ou de petites molécules, ces questions se posent aussi pour les polymères fondus, constitués de longues chaines de molécules. Cette question est technologiquement d'importance, puisque la solidification de liquides polymères est au cœur de beaucoup de procédés, tel que le façonnage de la matière plastique.

Une collaboration de spécialistes du domaine, incluant des chercheurs du LLB, montre toute la spécificité du problème de la transition vitreuse pour les polymères, qui font apparaitre une dimension caractéristique supplémentaire : leur longueur de chaine. Si pour les courtes longueurs de chaine, un comportement générique est bien observé à la température de transition vitreuse, des déviations significatives apparaissent pour les longues chaines. Il est alors montré que l'accord peut être rétabli en considérant une propriété dynamique plus macroscopique, telle que la viscosité du polymère.

 

Des polymères utilisés dans divers secteurs de l’industrie électronucléaire sont susceptibles d’être conditionnés en tant que déchets de moyenne activité à vie longue (MA-VL) en "fin de vie". Au sein des colis de déchets, ils seront alors soumis à des rayonnements ionisants sur des temps longs. Dans ces conditions, le vieillissement de ces matériaux conduit à l'émission d'hydrogène, dont le risque doit être maitrisé.

L'étude réalisée par l'équipe du CIMAP sur des films de polyéthylène (PE) montre que le rendement de production de l'hydrogène G(H2) diminue rapidement avec la dose. Cette évolution est liée à un piégeage de l'énergie déposée, par les défauts radio-induits et la contribution de chaque type de défauts dans le processus a pu être quantifiée. Cette mesure a été possible grâce à l’étude du comportement sous rayonnements ionisants de polymères spécifiques, synthétisés en collaboration avec l’équipe du Pr. Visseaux à l’USCL à Lille, contenant un unique type de défaut, inséré de manière régio-sélective et avec une concentration maîtrisée.

La preuve de l’existence de quasiparticules fractionnaires est l’une des découvertes importantes de ces dernières années. Elles ont par exemple été mises en évidence dans les gaz d’électrons 2D où des expériences d’effet Hall montrent que le courant électrique observable peut être porté par des excitations électroniques élémentaires de charge fractionnaire e/3. De tels effets se rencontrent aussi dans les chaines de spin 1D, où les excitations de spin 1, appelées magnons, se scindent en deux "sous-particules" émergentes de spin 1/2. Une collaboration entre notre équipe du laboratoire Léon Brillouin, de l’Institut Néel et de l’Université de Warwick, a mis en évidence par diffusion de neutrons au sein d'une céramique Nd2Zr2O7, un nouvel effet de ce type, appelé  "fragmentation du spin".

 

Une équipe de l’Iramis a sondé à l’aide de neutrons le magnétisme d’un cobaltate isolant. Ô surprise, ce composé présente une propriété considérée jusque-là par la communauté scientifique comme la signature de supraconducteurs à haute température critique (cuprates). Cette observation invite à une révision des modèles de ces matériaux.

 

Comprendre l'origine des nouvelles supraconductivités est un enjeu majeur et incontournable pour le développement de ces matériaux et de leurs applications actuelles et futures. Antérieurs aux pnictures récemment découverts, les cuprates détiennent toujours le record de température pour la supraconductivité. Pour cette classe de matériau le magnétisme joue un rôle central dans le diagramme de phase qu'il faut donc explorer, en lien étroit avec les propriétés de supraconductivité.

Une collaboration de chercheurs allemands, chinois et français du laboratoire Léon Brillouin (LLB) ont exploré par diffusion de neutrons polarisés en spin le diagramme de phase magnétique de ces composés ainsi que les différents modes d'excitations magnétiques associés. L'ensemble des modes accessibles prédits par la théorie originale des boucles de courants de C. M. Varma, attribuant une cause magnétique à l'origine de la supraconductivité dans ces composés, ont ainsi été observés.

 

Un des enjeux actuels de l’ingénierie moléculaire est le stockage de l’information à l'échelle de la molécule unique. Un point-clé dans ce domaine est la maîtrise des paramètres qui régissent l’anisotropie magnétique moléculaire. Entre autre, il est indispensable de comprendre les relations magnéto-structurales qui jouent un rôle essentiel dans cette anisotropie.

Les mesures macroscopiques de susceptibilité magnétique et d’aimantation ne donnent accès qu’au comportement global du matériau d’où la nécessité d’une méthode d’investigation au niveau microscopique. Une équipe du Laboratoire Léon Brillouin a montré que la diffraction de neutrons polarisés fournit un outil très performant pour l’étude de l’anisotropie magnétique dans le domaine du magnétisme moléculaire qui permet, grâce à l’approche des tenseurs locaux de susceptibilité magnétique, de visualiser les moments magnétiques sur chaque site atomique de la molécule.

 

Après plus de 20 ans de recherche intensive, l’origine des hautes températures critiques observées dans les cuprates supraconducteurs n’est toujours pas élucidée. Une autre énigme de ces composés est la présence d’une phase dite de "pseudogap" caractérisée par l’ouverture partielle d’un gap dans les excitations de basse énergie au dessous d’une certaine température T*. Cette ligne de pseudogap, mise en évidence initialement par RMN [1], apparaît dans la région sous-dopée du diagramme de phase, c’est-à-dire pour des dopages inférieurs à celui où la température critique est maximale (voir figure 1). Si cette ligne de pseudogap est assez bien définie pour les faibles dopages, on trouve dans la littérature deux diagrammes de phase différents, suivant la façon dont elle se termine en fonction du système étudié et/ou de la technique expérimentale utilisée. Ces deux représentations sont reliées à des interprétations très différentes de l’origine du pseudogap. Dans le premier cas (1-a), la ligne de pseudogap atteint et/ou coupe le dôme supraconducteur au voisinage du dopage optimal et l’état pseudogap est considéré comme une phase différente, voire en compétition avec la supraconductivité ; dans le second (1-b), la phase de pseudogap enveloppe le dôme supraconducteur et est interprétée comme un état précurseur de l’état supraconducteur, les paires supraconductrices isolées se formant à T* alors que la cohérence de phase macroscopique entre les paires n’intervient qu’à la température critique de supraconduction Tc.  
 

C.J. van der Beek, Marcin Konczykowski  Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole Polytechnique

Collaboration R. Okazaki, S. Kasahara T. Terashima, T Shibauchi, Y. Matsuda, Département de Physique, Université de Kyoto, Sakyo-ku, Kyoto, Japon.

Les nouveaux supraconducteurs à base de fer-arsenic (pnictures) sont de type II, c'est-à-dire qu'il existe un seuil critique en champ magnétique au-delà duquel le champ pénètre dans le matériau sous forme de vortex. Les expérimentateurs du LSI montrent par l'étude du piégeage de ces vortex (notamment par la mesure du courant critique de dépiégeage) que ces nouveaux supraconducteurs se séparent en deux classes selon la valence de leur dopage (isovalent ou "en charge"). Cette distinction est cohérente avec le comportement de diffusion par les défauts des quasi-particules associées à l'état supraconducteur (paires de Cooper). Ceci montre que l'étude du piégeage de vortex est une méthode utile et insoupçonnée pour caractériser ces composés [1].

Y. Li1, V. Balédent2, G. Yu3, N. Barišić1, K. Hradil3, R.A. Mole3, Y. Sidis2, P. Steffens4, X. Zhao1, P. Bourges2, M. Greven1

1 Department of Physics, Stanford University, Stanford, California 94305, USA
2 Laboratoire Léon Brillouin (LLB), CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
3 Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM-II), TU München, D-85747 Garching,   Germany
4 Institut Laue Langevin (ILL), 38042 Grenoble CEDEX 9, France

Pour les physiciens de la matière condensée, comprendre l’origine de la supraconductivité à haute température critique (Tc), telle qu'elle est observée dans les oxydes de cuivre, demeure un défi majeur en ce début de XXIème siècle. Diverses hypothèses sont proposées et testées, mais après avoir montré l’émergence d’un ordre magnétique dans la phase dite de "pseudo-gap" (phase électronique adjacente à la phase supraconductrice), les dernières expériences, réalisées par des chercheurs de l'IRAMIS/LLB par diffusion de neutrons polarisés, révèlent le spectre des excitations magnétiques associé à cet ordre. Ce résultat conforte l'hypothèse d'une origine magnétique au couplage entre électrons à l'origine de la supraconductivité à haut Tc.


D. S. Inosov1, J. T. Park1, P. Bourges2, D. L. Sun1, Y. Sidis2, A. Schneidewind3,4, K. Hradil4,5, D.Haug1, C. T. Lin1, B. Keimer1, and V. Hinkov

1 Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Heisenbergstraße 1, 70569 Stuttgart, Germany
2 Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
3 Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM-II), TU München, D-85747 Garching, Germany

A la grande surprise de la communauté scientifique, une supraconductivité à haute température critique (Tc > 50K) a été découverte en mars 2008 dans des composés à base de fer [1]. En effet, le fer magnétique était plutôt considéré comme antagoniste de la supraconductivité. De plus, c'est la première fois qu'on atteint une température critique si élevée sans cuivre. Comme les oxydes de cuivres supraconducteurs, ces nouveaux supraconducteurs présentent une structure lamellaire avec des couches de fer et de pnictures (composés à base de As, P... , éléments de la 15ème colonne de la table de Mendeleïev) entre lesquelles s'intercalent des plans "réservoirs de charges" (voir la figure). Ces matériaux présentent aussi un diagramme de phase proche de celui des cuprates, avec en fonction du dopage une phase antiferromagnétique contiguë à la phase supraconductrice [2].

H. Cao, A. Gukasov, I. Mirebeau, P. Bonville, C. Decorse, and G. Dhalenne

Dans les composés magnétiques géométriquement frustrés, l’état fondamental résulte d’un équilibre subtil entre différents termes d’énergie.  Des ordres magnétiques exotiques à courte portée, comme les glaces de spin ou les liquides de spin, peuvent être stabilisés, sans désordre chimique. Leur étude stimule actuellement beaucoup de travaux expérimentaux et théoriques.

Un réseau cristallin où la frustration joue un rôle important est le réseau pyrochlore. Dans les pyrochlores de formule R2Ti2O7, les ions magnétiques de terre rare R3+ sont situés sur des tétraèdres jointifs par les sommets. La symétrie locale du site R est ternaire, relative à l’axe d’anisotropie <111> qui joint un sommet du tétraèdre à son centre. En présence d’un champ magnétique, l’orientation et la valeur du moment magnétique de chaque terre rare résulte d’un compromis entre l’énergie Zeeman associée au champ appliqué et celle du champ électrique cristallin, qui impose une anisotropie soit parallèle, soit perpendiculaire à l’axe local.
Comment mesurer la susceptibilité  locale? La difficulté vient du fait que les 4 sommets d’un tétraèdre ont chacun un axe local <111> différent : la susceptibilité macroscopique, mesurée avec un magnétomètre, correspond donc à une moyenne sur les 4 axes, même lorsque l’échantillon est monocristallin. L’idée est de mesurer la susceptibilité par diffraction de neutrons polarisés, ce qui augmente la sensibilité lorsque les moments induits sont faibles (petit champ magnétique, haute température). La relation entre le moment et le champ appliqué est décrite par un tenseur  de susceptibilité qui, par raison de symétrie, ne possède que deux composantes Χ// et χ. L’affinement simultané de centaines de pics de diffraction permet de déterminer ces grandeurs à chaque température, indépendamment de la direction du champ.

Des mesures effectuées sur 4 composés (R=Ho, Tb, Yb, Er) ont  mis en évidence une anisotropie soit planaire (Er, Yb), soit axiale (Tb, Ho). L’essentiel de la variation thermique de la susceptibilité s’explique par le peuplement progressif des niveaux de champ cristallin, dont l’espacement a été déterminé indépendamment par diffusion inélastique de neutrons. Pour expliquer complètement la susceptibilité mesurée, il faut introduire dans un modèle de champ moléculaire, une interaction d’échange et /ou dipolaire. De façon surprenante, c’est aussi une grandeur tensorielle, c'est-à-dire anisotrope. Encore plus surprenant, dans les deux cas (Er et Yb) que nous montrons, l’anisotropie semble provenir non pas du couplage dipolaire, ce qui est classique, mais de l’échange, ce qui l’est beaucoup moins. Un nouvel élément à prendre en compte dans la théorie !

Susceptibilité locale de Er2Ti2O7 (XY, AF) et Yb2Ti2O7 (XY, F) déduites de mesures de neutrons polarisés en phase paramagnétique; les lignes en pointillés représentent le calcul de champ cristallin seul, les lignes continues le calcul auto-consistent avec champ moléculaire.

Contacts : A. Gukasov, I. Mirebeau (LLB) ; P. Bonville (SPEC)

Référence :
H. Cao,1 A. Gukasov,1 I. Mirebeau,1 P. Bonville,2 C. Decorse,3 and G. Dhalenne3
Phys. Rev. Lett. 103, 056402, (2009).

1Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CE-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
2Service de Physique de l'Etat Condensé, CEA-CNRS, CE-Saclay, 91191 Gif-Sur-Yvette, France
3Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide, ICMMO, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France

Les chercheurs du LLB viennent de publier en 2008 plusieurs articles dans les prestigieuses revues Science [1-2] et Nature [3]. Ces résultats montrent toutes les potentialités des techniques de diffraction de neutrons à la pointe des études sur les nouveaux matériaux.

V. Hinkov1, D. Haug1, B. Fauqué, P. Bourges2, Y. Sidis2 (CNRS), A. Ivanov3, C. Bernhard4, C. T. Lin1, B. Keimer1,
1Max Planck-Institut
2LLB CEA Saclay
3ILL (Institut Laue-Langevin)
4University of Fribourg, Switzerland

Lorsque l’on s’intéresse aux propriétés électroniques d’un matériau, il est communément admis que celles-ci doivent respecter les propriétés de symétrie liées à la structure de ce matériau. Par exemple, si l’on considère un système planaire pavé de carrées aux sommets desquels se trouvent les atomes qui fournissent les électrons de conduction, les propriétés électroniques de ce système doivent en principe être invariantes par rotation de 90°. Or, certains systèmes peuvent spontanément développer des propriétés électroniques qui brisent cette invariance par rotation sans aucun changement des propriétés structurales du système considéré. On parle alors de transition électronique nématique, par analogie avec les cristaux liquides pour lesquels à la transition nématique, il y a perte de l’invariance par rotation. De même que pour les cristaux liquides où cette phase peut être induite en appliquant un champ électrique, un état électronique nématique peut être obtenu en principe en appliquant une contrainte élastique (même faible) sur le système.

Delphine Lebeugle, Dorothée Colson, Anne Forget, Michel Viret (IRAMIS/SPEC CEA-Saclay)
Arsen Goukassov, Alexandre Bataille (IRAMIS/LLB CEA-Saclay)

Les matériaux magnétiques sont aujourd'hui massivement utilisés dans le stockage dynamique de l'information (disques durs, têtes de lecture). Pour ces applications, ils sont le plus souvent mis en œuvre sous forme de couches minces. Ce résultat a été atteint après la naissance de l’électronique de spin ou "spintronique" et la découverte de la magnétorésistance géante. Plus récemment, une nouvelle voie de recherche s’est ouverte concernant les matériaux multiferroïques dans lesquels ordre magnétique et ordre ferroélectrique coexistent, les deux aspects étant couplés. Avec de tels matériaux, le traitement de l'information dans des mémoires RAM pourrait s’effectuer par le biais de l’aimantation et de la polarisation électrique (piloter ou lire l’aimantation locale par l'application d'un champ électrique, ou la polarisation électrique locale par un champ magnétique). Il reste cependant encore tout un travail de recherche fondamental à effectuer, pour comprendre la nature des interactions et des mécanismes responsables du couplage entre les deux types d'ordre. C'est dans ce cadre, que s'inscrivent les récents résultats obtenus au SPEC qui montrent qu’un champ électrique est à même d’influencer le magnétisme dans le composé BiFeO3.


L'utilisation potentielle des matériaux multiferroïques nécessite des composés de haute pureté, de très grande résistivité, possédant un ordre magnétique et électrique couplés et des températures de transitions ordre-désordre (magnétique et électrique) les plus élevées possible. A ce titre le composé BiFeO3 est potentiellement intéressant car c'est le seul oxyde multiferroïque possédant des températures de transition bien au dessus de la température ambiante. Il a donc été expérimentalement très étudié durant ces trois dernières années.

 

(1,2) B. Toudic, P. Garcia, C. Odin, P. Rabiller, C. Ecolivet and E. Collet,
P. Bourges3, G.J. McIntyre4, M.D. Hollingsworth5, T. Breczewski6

structure urée-alcane

1 Institut de Physique de Rennes, CNRS UMR 6251, Univ. Rennes 1, 35042 Rennes, France
2 CNRS, UMR 6251, IPR, 263 Avenue du Général Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France.
3 Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
4 Institut Laue-Langevin, 38042 Grenoble Cedex 9, France.
5 Department of Chemistry, Kansas State University, Manhattan, KS 66506, USA.
6 Facultad de Ciencias, Universidad del Pais Vasco, Apdo 644, Bilbao, Spain.


Une notion fondamentale dans la description des états de la matière et des propriétés physiques associées est la notion d'ordre et de symétrie. Celles-ci ont été longtemps synonyme de périodicité pour les solides, servant également à définir la notion de cristal, paradigme de nombreuses disciplines de la matière condensée durant le XXème  siècle.

Une manière de sonder la structure de la matière à l'échelle atomique est d'utiliser la diffusion d'un rayonnement (tels que les rayons X, ou de l'onde associée à des particules : neutrons, électrons... ). La présence d'un ordre à grande distance se caractérise alors par l'apparition de pics de diffraction, formant une image qui reflète la symétrie de l’objet. C'est ainsi qu'ont été découverts ces dernières décennies des matériaux non périodiques, mais néanmoins ordonnés comme le montre leur spectre de diffraction présentant des pics discrets. Les physiciens savent représenter ce type de cristaux comme des cristaux périodiques mais dans un super-espace (de dimension 3+d, où 3 représentent les dimensions de l’espace usuel et d la dimension de l’espace interne).

Spectre de diffraction

Nous nous sommes intéressés à des systèmes modèles supramoléculaires apériodiques constitués d'un monocristal d'urée (structure hôte) et de molécules d'alcanes (molécules invitées), dont la  longueur est fonction du nombre nC d'atomes de carbones dans la molécule (nC>7). A température ambiante, les plans cristallins de l'urée ont une structure de symétrie hexagonale. Le long de l'axe C perpendiculaire, la structure suit une double hélice formant des canaux dans lesquels s'insérent les molécules d'alcanes. Le long de l'axe C les molécules et le réseau s'ordonnent, mais selon un ordre apériodique.

 


Spectre de diffraction de neutrons le long de l'axe C*. En dessous de la température critique Tc1 des lignes de surstructure (h=1/2) orientées selon C* apparaissent montrant un changement de symétrie du système. Le long des lignes les pics de diffraction sont caractéristiques d'une nouvelle structure apériodique ordonnée. . Ce doublement de maille est totalement original car il ne se décrit que selon l’espace interne du superespace, cette solution structurale étant inimaginable dans une description à 3 dimensions. Une deuxième phase structurale apparaît en dessous de Tc2.


B. Fauque1, Y. Sidis1, V. Hinkov2, S. Pailhès1,3, C.T. Lin2, X. Chaud4, Ph. Bourges1

1Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA-Saclay, 91191 Gif sur Yvette, France
2MPI fur Festkorperforschung, Heisenbergstr. 1, 70569 Stuttgart, Germany
3LNS, ETH Zurich and Paul Scherrer Institute, CH–5232 Villigen PSI, Switzerland
4CRETA / CNRS, 25 Avenue des Martyrs, BP 166 38042 Grenoble cedex 9, France.

 

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