Projet ANR-15-CE30-0004 – ListenMonopoles : Ecouter les monopoles magnétiques: excitations magnétiques dans les glaces de spins et relation fluctuation-dissipation
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Madame Elsa Lhotel (Institut Néel)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 327581.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : La frustration géométrique dans le domaine du magnétisme est un challenge central de la physique de la matière condensée actuelle. Elle est à l'origine de nombreux états magnétiques exotiques dont la description reste un défi pour les théoriciens comme les expérimentateurs. Ces états magnétiques non conventionnels sont souvent induits par une dégénérescence de l'état fondamental, qui empêche la stabilisation des phases magnétiques habituelles et qui induit l'émergence d'excitations nouvelles. Dans ce contexte, l'étude des aimants frustrés appelés "glaces de spins" s'est fortement développée ces dernières années avec la découverte des monopoles magnétiques dans ces systèmes. Ces monopoles sont des excitations magnétiques qui se comportent comme des charges magnétiques car elle se déplacent sous l'effet d'un champ magnétique, de la même façon que le courant électrique peut être contrôlé par un champ électrique. 
Ce projet vise à sonder les propriétés hors-équilibre dans les composés glaces de spins grâce à la mesure directe du bruit magnétique (ou fluctuations magnétiques) induit par le mouvement des monopoles magnétiques. Ces mesures permettront de déterminer pour la première fois et de façon précise les déviations à la relation fluctuation-dissipation dans les glaces de spins, et ainsi de caractériser quantitativement l'état hors-équilibre et la dynamique des monopoles à très basse température. 
Pour ce faire, nous allons développer un dispositif expérimental unique afin de mesurer le bruit magnétique jusqu'à très basse température (50mK), et ce grâce à notre expertise dans les mesures fines magnétiques et de bruit, à très basse température. Pour atteindre la sensibilité nécessaire, nous utiliserons un SQUID comme détecteur. Un système soigneusement étudié de bobines de détection supraconductrices permettra de réaliser les mesures de bruit et de susceptibilité magnétique avec le même dispositif, rendant ainsi possible une comparaison directe entre les deux grandeurs. 
La difficulté principale est de protéger ce système de détection très sensible des perturbations extérieures, ce qui nécessitera la mise en oeuvre de systèmes antivibrations, de filtres, et d'écrantage. Nous utiliserons tout d'abord ce dispositif pour mesurer les glaces de spins dipolaires canoniques Dy2Ti2O7 et Ho2Ti2O7 pour lesquels les propriétés à l'équilibre sont bien comprises et caractérisées. 
Ce projet sera réalisé en forte collaboration avec des théoriciens spécialistes du magnétisme frustré et de la physique des systèmes hors-équilibre. Ils développent des codes Monte-Carlo cinétique avec des algorithmes locaux ou de boucles pour sonder le couplage entre la réponse magnétique et la dynamique des monopoles. Les glaces de spins sont des systèmes de choix pour réaliser de telles études hors-équilibre, car bien qu'elles manifestent des propriétés vitreuses, le Hamiltonien microscopique est bien défini, et contrairement au cas des verres de spins, la quantité de désordre dans le système est très faible. Une comparaison directe entre l'expérience et les modèles microscopiques pourra être réalisée, ouvrant ainsi une nouvelle porte dans la compréhension des systèmes hors-équilibre. 
Pour réussir ce projet, nous demandons principalement le financement pour un doctorant qui travaillera sur le développement instrumental puis sur les mesures de bruit, ainsi que pour l'équipement nécessaire à la construction du dispositif expérimental. 
Ces études sur les processus hors-équilibre dans le système bien maîtrisé que sont les glaces de spins apporteront un nouveau regard sur la physique des systèmes vitreux, ainsi qu'une nouvelle sonde originale des monopoles. Le projet permettra au PI de développer une nouvelle expertise expérimentale au sein de son laboratoire, les mesures de bruit magnétique à très basse température, une technique prometteuse pour sonder les fluctuations magnétiques dans d'autres systèmes comme les aimants quantiques ou les macro-molécules magnétiques.