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Dynamique lente des systèmes magnétiques désordonnés Vincent Dupuis Collaborations : M. Alba, F. Bert, J.-P. Bouchaud, J. Hammann, L. Le Pape H. Aruga-Katori,

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1 Dynamique lente des systèmes magnétiques désordonnés Vincent Dupuis Collaborations : M. Alba, F. Bert, J.-P. Bouchaud, J. Hammann, L. Le Pape H. Aruga-Katori, A. Ito, J. E. Greedan, M. Sasaki, A. S. Wills Directeur de thèse : Eric VINCENT Service de Physique de lEtat Condensé CEA Saclay

2 Plan de lexposé Introduction Instrumentation - Mesures Verres de spin Ferromagnétiques désordonnés Systèmes frustrés sans désordre Conclusion – Perspectives

3 Plan de lexposé Introduction Instrumentation - Mesures Verres de spin Ferromagnétiques désordonnés Systèmes frustrés sans désordre Conclusion – Perspectives

4 Dynamique lente et vieillissement Plus simples à modéliser : physique statistique Capteurs très sensibles : utilisation de SQUIDs Pourquoi les systèmes magnétiques ? Pourquoi étudier le vieillissement ? Phénomène courant mais mal compris ! Un modèle : verre de spin Systèmes magnétiques frustrés et désordonnés Les matériaux vitreux sont partout ! Ex. : verres structuraux, polymères, gels, pâtes, colloïdes, ferromagnétiques désordonnés, ferroélectriques désordonnés, matière de vortex… Un point commun : systèmes hors équilibre les mesures dépendent de lhistoire du matériauVIEILLISSEMENT :

5 Le vieillissement dans les verres de spin t w : temps dattente t : temps dobservation Aimantation thermorémanente Dynamique non stationnaire : (t, t w ), (, t w ) bien décrite par des lois déchelle : t/t w (dc) et t w (ac) Susceptibilité alternative Uppsala (Lundgren, Nordblad) Saclay (Hammann, Ocio, Alba, Vincent) 80

6 Autres exemples PVC Struik (1978) glycérol Leheny et al. (1998) Réponse diélectrique dun liquide surfondu Réponse mécanique dun polymère ~ mêmes lois déchelle que dans les verres de spin : t, t/t w

7 Quelques approches théoriques Approches microscopiques –Edwards et Anderson (1975) dynamique : simulations numériques –Sherrington et Kirkpatrick (1975) dynamique : Cugliandolo, Kurchan (1994) J ij aléatoires Approches phénoménologiques –Modèles dans lespace des phases : vieillissement = évolution dans un paysage dénergie libre complexe (Bouchaud, Orbach) –Modèles dans lespace réel : vieillissement = croissance de domaines ( Fisher et Huse, Koper et Hilhorst)

8 Questions Effet de la température : peut-on accélérer le vieillissement ? Quelles conséquences pour la description du vieillissement ? « Universalité » ? Etude des propriétés de dynamique lente de systèmes magnétiques exemples

9 Plan de lexposé Introduction Instrumentation - Mesures Verres de spin Ferromagnétiques désordonnés Systèmes frustrés sans désordre Conclusion – Perspectives

10 Instrumentation - Mesures cryogénie 4 He pompé détection SQUID Magnétomètre à SQUID Cryogenic Ltd S600 Mesure d.c. : M z déplacement de léchantillon dans le gradiomètre Mesure a.c. : ( ) = ( ) + i ( ) échantillon fixe + détection synchrone SQUID rf gradiomètre du 2 nd ordre ech z circuit rf résonant Q V

11 Plan de lexposé Introduction Instrumentation - Mesures Verres de spin Ferromagnétiques désordonnés Systèmes frustrés sans désordre Conclusion – Perspectives

12 Effet des variations de température sur le vieillissement Cycle négatif de température T : rajeunissement, relance de la relaxation T : mémoire, pas deffet du temps passé à T- T Lefloch et al. (1992) (cas dun grand T) T = 12 K T- T= 10 K T = 12 K [a.u.] temps [min] CdCr 1.7 In 0.3 S 4 T g =16.7K

13 Rajeunissement et mémoire multiples Combien de vieillissements peut-on mémoriser dans un verre de spin ? T rajeunissement T mémoire

14 Interprétations des effets de rajeunissement et de mémoire MODELES MICROSCOPIQUES : SIMULATIONS ? EA 3d : ni rajeunissement, ni mémoire, ni chaos en température (Takayama, Picco, Ricci ( )) EA 4d : rajeunissement et mémoire SANS CHAOS EN TEMPERATURE (Berthier, Bouchaud (2002)) Plus quantitativement : Bouchaud et Dean (1995) Sasaki et Nemoto (2000) organisation hiérarchique des états métastables en fonction de T rajeunissement mémoire ESPACE DES PHASESESPACE REEL Yoshino, Lemaître, Bouchaud (2001) Miyashita, Vincent (2001) : T J ij eff chaos en température : état d équilibre T état déquilibre à T- T MEMOIRES MULTIPLES hiérarchie déchelles de longueurs L T- T << L T Bray et Moore (1987), Fisher et Huse (1988) T T- T T LTLT L T- T le chaos ne semble pas nécessaire, la hiérarchie oui !

15 Effets de rajeunissement et de mémoire dans un verre de spin Ising Effets de rajeunissement et de mémoire moins marqués dans Ising que dans Heisenberg Ising Heisenberg

16 Analyse quantitative Petits cycles négatifs de température t 2 à T- T t eff à T Fe 0.5 Mn 0.5 TiO 3 verre de spin Ising verre de spin Heisenberg ? (Kawamura, Petit, Campbell) Heisenberg Echantillons : Fe 0.5 Mn 0.5 TiO 3 (FeNi)PBAl Au:Fe 8% CdCr 1.7 In 0.3 S 4 Ag:Mn 2.7% Ising anisotropie Evolution de t eff en fonction de T activation thermique Heisenberg T=0.7 T g (TRM data) Ising

17 Plan de lexposé Introduction Instrumentation - Mesures Verres de spin Ferromagnétiques désordonnés Systèmes frustrés sans désordre Conclusion – Perspectives

18 Le système CdCr 2x In 2-2x S 4 Système : CdCr 2x In 2-2x S 4 Diagramme de phase Interactions contradictoires: F premiers voisins AF voisins plus éloignés Echantillons : (M. Noguès) x = 0.85, 0.90, 0.95 et 1.00 Caractérisation par diffraction de neutrons pics de Bragg magnétiques, aimantation spontanée... Alba, Pouget (1993) Structure : spinelle Aimantations FC et ZFC H ~ 10 Oe

19 Effets de rajeunissement et de mémoire dans un ferromagnétique désordonné ? Procédure expérimentale (T c ~ 70 K)CdCr 2x In 2-2x S 4, x = 0.95 Effets de type verre de spin ~ parois de domaines(régions frustrées) T rajeunissement T mémoire : si courte évolution à basse température région ferromagnétique

20 Un mécanisme sans chaos en température pour le rajeunissement et la mémoire Reconformations dune paroi de domaine piégée Ferromagnétique désordonné : reconformations des parois croissance des domaines + Verre de spin : dynamique de parois uniquement ? Nature des parois ? Explique aussi les expériences sur les ferroélectriques désordonnés (Doussineau, Levelut) ~ Excitations à grande échelle de faible énergie : éponges (Houdayer, Martin, Krzakala) ? Problème proche de celui du verre de spin (Balents, Bouchaud, Mézard (1996)) Bouchaud (2000) T T - T L*TL*T L * T- T temps T L T (t w1 ) L T (t w2 >t w1 ) gel de la conformation à L * T = MEMOIRE L * T- T << L * T T T- T, T L * T L < L * T : équilibre L > L * T : gelé mise hors équilibre à L * T- T = RAJEUNISSEMENT

21 Plan de lexposé Introduction Instrumentation - Mesures Verres de spin Ferromagnétiques désordonnés Systèmes frustrés sans désordre Conclusion – Perspectives

22 Frustration sans désordre kagomé (2d)pyrochlore (3d) Rôle de la frustration, du désordre ? (H 3 O)Fe 3 (OH) 6 (SO 4 ) 2 Y 2 Mo 2 O 7 Divergence critique de la susceptibilité non linéaire (Gingras et al. (1997)) T g ~ 18 K << CW ~ 1200 KT g ~ 21 K << CW ~ 300 K spins dHeisenberg interactions AF 2 exemples de systèmes frustrés sans désordre avec une phase vitreuse Comportement critique : ( ) + SR + Mössbauer (Dupuis, Bonville (2002))

23 Vieillissement isotherme pyrochlore kagomé Relaxations daimantation thermorémanente à 0.7 T g Même comportement déchelle que dans les verres de spin ~ t/t w (H 3 O)Fe 3 (OH) 6 (SO 4 ) 2 Y 2 Mo 2 O 7

24 Effet des variations de température sur le vieillissement Effet mémoire sur laimantation ZFC verre de spin kagomé (H 3 O)Fe 3 (OH) 6 (SO 4 ) 2 pyrochlore Y 2 Mo 2 O 7 Creux de mémoire très étalés !Creux de mémoire assez bien marqués

25 Y 2 Mo 2 O 7 (H 3 O)Fe 3 (OH) 6 (SO 4 ) 2 T=0.7 T g (TRM data) Effet des variations de température sur le vieillissement Cycles négatifs de température t 2 à T- T t eff à T Y 2 Mo 2 O 7 : ~ verre de spin Ising (H 3 O)Fe 3 (OH) 6 (SO 4 ) 2 : comportement original ~ insensible aux T !

26 Plan de lexposé Introduction Instrumentation - Mesures Verres de spin Ferromagnétiques désordonnés Systèmes frustrés sans désordre Conclusion – Perspectives

27 Conclusion - Perspectives Effet des variations de température sur le vieillissement croissance de domaine + chaos en température ? ordre différent à différentes températures (domaines dans les domaines) ESPACE DES PHASES Le désordre est-il nécessaire ? ESPACE REEL ? Mémoire si forte séparation des échelles de longueur (L T- T << L T ) Interprétation ? hiérarchie des états métastables en fonction de T reconformations de parois piégées ? (~ ferro désordonné) hiérarchie déchelles de longueurs imbriquées pyrochlore (3d) : ~ verre de spin kagomé (2d) : verre de spin (insensible aux T) autres exemples ? SCGO (bicouche kagomé) ~ verre de spin Universalité ? Verre de spin Ising Verre de spin Heisenberg T RAJEUNISSEMENTMEMOIRE T et pourtant

28 Rajeunissement et mémoire dans dautres systèmes vitreux REFROIDISSEMENT RECHAUFFEMENT Polymères Ex.: PMMA Bellon, Cilliberto, Laroche (2000) accumulation du vieillissement d une température à l autre Même phénoménologie dans ferroélectriques désordonnés, gélatine Effets types verre de spin

29 Effet de la vitesse de refroidissement Procédure expérimentale

30 Effet de la vitesse de refroidissement


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