Projet ANR-14-CE32-0018 – BOLODISS : Localisation des bosons dans les systèmes de spins désordonnés
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Mladen Horvatic (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses)
Partenaires : Laboratoire de Physique Théorique; Laboratoire public
Montant : 249972.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Localisation des bosons dans les systèmes de spins désordonnésRéunir les expériences par résonance magnétique nucléaire (RMN) et des méthodes théoriques numériques avancées pour comprendre la nature microscopique de la phase « verre de Bose » dans l'un de ses très rares représentants de taille thermodynamique : DTN dopé au Br, un composé de spins quantiques antiferromagnétique désordonné.
Construire l’image microscopique du régime « verre de Bose » dans le composé DTN dopéA l’aide d’informations microscopiques obtenues par résonance magnétique nucléaire (RMN) et des simulations numériques avancées, nous étudions la physique en œuvre dans les antiferro-aimants quantiques exhibant une condensation de Bose-Einstein (CBE), et en particulier les effets de désordre pouvant induire une localisation des excitations bosoniques : la phase verre de Bose. En s’appuyant sur nos précédentes études par RMN de deux systèmes modèles purs, NiCl2-4SC(NH2)2 (dit DTN) et (C7H10N)2CuBr4 (dit DIMPY) [Phys. Rev. Lett. 109, 177206 (2012); Ibid. 111, 106404 (2013)], nous étudions leurs versions dopées. Les données RMN sur la distribution de polarisation de spins et sur leurs fluctuations, confrontées avec des résultats théoriques obtenus par des simulations Monte Carlo Quantique (QMC) et Groupe de Renormalisation de la Matrice Densité (DMRG), nous permet d’établir une image microscopique des effets du désordre et de la dynamique du verre de Bose, et éventuellement d'observer la transition de localisation des bosons en interaction.
Résonance magnétique nucléaire (RMN) et les méthodes théoriques numériques avancéesNuclear magnetic resonance (NMR), as a microscopic local probe for magnetism, is particularly suitable for studies of magnetic field induced/dependent quantum magnetism. Analysing NMR spectra we obtain information on static (average) local spin polarization values. In favourable cases, one can even resolve individual polarizations values of spins around impurities. Measurements of the nuclear spin-lattice relaxation rate, 1/T1, provide access to the low-energy spin dynamics; we can thus quantify both the transverse  and longitudinal  spin fluctuations. We can also detect spatial inhomogeneity of spin dynamics, which is a hallmark of disordered systems.In the absence of frustrated interaction, advanced Quantum Monte Carlo (QMC) simulations provide privileged exact access to static properties (local spin polarisation, order parameter, critical temperature) of a spin system of any dimension. Density Matrix Renormalization Group (DMRG) is particularly suitable for studying 1D systems. Matrix Product States (MPS) formalism allows us now to address dynamic properties such as NMR 1/T1 relaxation rate.
Résumé de la soumission : Confrontant des informations microscopiques obtenues par la résonance magnétique nucléaire (RMN) et des simulations numériques avancées, nous étudierons la physique des systèmes de spins quantiques antiferromagnétiques exhibant une condensation de Bose-Einstein (CBE), notamment les effets de désordre pouvant induire une localisation des excitations bosoniques : la phase « verre de Bose »Dans les systèmes de spins quantiques (SSQ), qui sont d’excellents modèles pour la physique des systèmes à n-corps fortement corrélés, le nombre de particules (obéissant à une statistique de bosons de cœur dur) est facilement contrôlé par l’application d'un champ magnétique. Les meilleures techniques microscopiques pour étudier ces composés isolants, décrits par un Hamiltonien effectif de spins, sont les neutrons et la RMN, cette dernière étant la seule permettant d’accéder aux champs les plus intenses. La RMN permet une mesure directe des excitations de très basse énergie, et dans les systèmes désordonnés les spectres RMN reflètent la distribution de la polarisation locale de spin. L’étude des SSQ a été une activité dominante dans le groupe RMN du LNCMI-Grenoble et, en collaboration avec les théoriciens, des avancées majeures ont été obtenues dans certains composés modèles : i) la détermination de sur-structures de spins dans les plateaux d’aimantation de SrCu2(BO3)2, ii) la vérification du modèle de Liquide de Luttinger dans l’échelle de spin (C5H12N)2CuBr4 (BPCB), et iii) la première caractérisation de la dynamique de spin au voisinage d’un point critique quantique et de ses lois d’échelles dans BPCB et NiCl24SC(NH2)2, (DTN). Citons encore le composé BaCuSi2O6 (Pourpre de Han), d’abord considéré comme l’archétype de la CBE 2D, qui s’est révélé beaucoup plus complexe et a stimulé la description théorique d’une nouvelle phase, superfluide sans condensât. La synergie entre les mesures RMN et les descriptions par le groupe théorique du LPT Toulouse, à la base de cette étude, constitue le fondement de la collaboration entre les deux partenaires du présent projet.Basé sur notre expérience des composés purs, le projet s’attaque à des problèmes totalement nouveaux dans les SSQ ; l’objet principal de l’étude est la phase verre de Bose adjacente à une phase CBE inhomogène lorsque l’on introduit des impuretés dans le système, récemment décrite dans une publication basée sur des mesures macroscopiques dans DTN dopé au Br [Nature 489, 379 (2012)]. Cette publication contient des prédictions sur la structure microscopique de ces phases que nous vérifierons par RMN. Nous suivrons également la modification de la dynamique de spin (critique) liée au dopage. Des mesures RMN comparatives pourront être effectuées dans un système apparenté, BPCB dopé au Cl.Les études précédentes des SSQ ont été effectuées sur de systèmes présentant une interaction répulsive entre les quasi-particules. Seul un représentant du régime d’interaction attractive a été identifié récemment, à savoir l’échelle de spin (C7H10N)2CuBr4 (DIMPY), et nos résultats RMN ont directement confirmé ce comportement. Par rapport aux autres SSQ, la réponse de ce système au dopage par des impuretés non-magnétiques est caractérisée par une longueur de corrélation plus grande, facilitant les études RMN des effets du désordre. DIMPY dopé au Zn sera étudié notamment au voisinage du champ critique, où le désordre induit des effets non-conventionnels.Le grand intérêt des questions fondamentales soulevées dans ce projet porte sur les états bosoniques non-conventionnels de la matière. Dans ce contexte, en constante interaction avec les expériences RMN, plusieurs problèmes théoriques seront abordés, et plus particulièrement :i) la nature microscopique du verre de Bose, et le rôle des « crossovers » dimensionnels dans un milieu désordonné.ii) La réponse dynamique dans les SSQ, en particulier dans l’état verre de Bose, avec l’observation éventuelle d’une transition de localisation en présence d’interactions.
Résultats : L'analyse des résultats RMN sur le DTN pur a permis une première détermination de la valeur absolue du paramètre d'ordre dans la phase CBE [thèse de R. Blinder, https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01235600]. Les résultats ont été modélisés par simulations QMC et MPS/DMRG, et comparés avec les descriptions analytiques approximatives pour discuter leur validité. [R. Blinder et al., en rédaction].
Le travail expérimental a été focalisé sur le DTN dopé au Br. Par la mesure RMN de 1/T1 nous avons observé un pic de fluctuations de spins à un champ H* = 13.6 T, et précisé ses caractéristiques à très basses températures, dans un réfrigérateur à dilution. Ce pic a été attribué au croisement des niveaux d'énergie (en fonction du champ) des états très localisés sur les dopants. La modélisation théorique a confirmé cette hypothèse et a permis la construction de l’Hamiltonien effectif du system, permettant les études théoriques de son comportement dans la limite de température nulle. [A. Orlova et al., preprint]. Cette étude questionne la nature de la phase verre de Bose, en compétition avec un condensat inhomogène autour de H*. Les algorithmes développés pour ce projet nous ont aussi permis de comprendre le «crossover« dimensionnel entre 1D et 3D dans le DTN pur, et la compétition entre la phase localisée et un CBE inhomogène dans DTN dopé. Des résultats théoriques sur la dynamique à 1D posent aussi de nouvelles bases à l’interprétation expérimentale de 1/T1 dans les systèmes quasi-1D [M. Dupont et al., preprint arXiv:1606.09502].
Les premières mesures de 1/T1 effectuées à très haut champ magnétiques, jusqu'à 29 T et à 0.75 K, sur le composé DIMPY ont été analysées dans le cadre de la description 1D de Liquide de Tomonaga-Lutinger. Nous avons ainsi établis pour la première fois un critère expérimental direct, par la RMN, sur la nature des interactions dans les systèmes des spins quantiques - attractive ou répulsive [M. Jeong et al., preprint arXiv:1604.05252].
Perspectives : Dans la première moitié du projet nous avons focalisé les efforts expérimentaux sur DTN dopé, et les résultats nous ont déjà permis d'établir le modèle microscopique (l’Hamiltonien effectif), qui sera étudié d'avantage théoriquement. Coté expérimental, la seconde moitié du projet portera principalement sur le composé DIMPY, notamment avec des expériences à très haut champ magnétique (jusqu'à 30 T), très techniques, nécessitant des développements technologiques. Coté théorie, plusieurs approches sont déjà développées au niveau des quantités statiques à l’équilibre (paramètres d’ordres, aimantations locales). L’effort en cours concerne les aspects dynamiques, en particulier le taux de relaxation RMN (1/T1) à température finie au-delà d’une description purement unidimensionnelle (1D). Enfin, les aspects plus fondamentaux concernant les exposants critiques à la transition superfluide – verre de Bose sont en cours d’étude, à l’aide d’approches numériques de pointe (QMC, MPS).
Publications et brevets : 1.	R. Blinder, Étude par Résonance Magnétique Nucléaire de nouveaux états quantiques induits sous champ magnétique : condensation de Bose-Einstein dans le composé DTN, Ph.D thesis, Université Grenoble Alpes, 2015, https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01235600
2.	N. Laflorencie, Quantum entanglement in condensed matter systems, submited to Physics Report, preprint arXiv :1512.03388
3.	M. Jeong, D. Schmidiger, H. Mayaffre, M. Klanjšek, C. Berthier, W. Knafo, G. Ballon, B. Vignolle, S. Krämer, A. Zheludev, and M. Horvatic, Dichotomy between attractive and repulsive Tomonaga-Luttinger liquids in spin ladders, submitted to Phys. Rev. Lett., preprint arXiv:1604.05252
4.	M. Dupont, S. Capponi, N. Laflorencie, Temperature dependence of the NMR relaxation rate 1/T1 for quantum spin chains, preprint arXiv:1606.09502
5.	A. Orlova, R. Blinder, E. Kermarrec, M. Dupont, N. Laflorencie, S. Capponi, H. Mayaffre, C. Berthier, A. Paduan-Filho, M. Horvatic, Nuclear magnetic resonance reveals disordered level-crossing physics in the «Bose-glass« regime of doped DTN compound at high field, preprint https://cloud.grenoble.cnrs.fr/index.php/s/BzzGGvHGkVWtWRp
6.	R. Blinder, S. Mukhopadhyay, M. S. Grbic, M. Dupont, N. Laflorencie, S. Capponi, H. Mayaffre, C. Berthier, A. Paduan-Filho, M. Horvatic, NMR study of the BEC phase in the DTN quantum spin compound, en rédaction