Thèse Excitations Magnétiques et Phases Magnétiques Induites par le Champ dans le Système Géométriquement Frustré Tbb4 H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse
Laboratoire de recherche : LNCMI - Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses
Direction de la thèse : Fabienne DUC ORCID 0000000150411711
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Le tétraborure de terre rare TbB4 est un matériau fascinant qui illustre toute la complexité du magnétisme géométriquement frustré. Sa structure cristalline, analogue au réseau de Shastry-Sutherland, est marquée par des interactions antiferromagnétiques concurrentes qui donnent naissance à un diagramme de phases magnétiques particulièrement riche. En l'absence de champ, TbB4 subit deux transitions antiferromagnétiques à 44 K et 24 K, tandis que l'application d'un champ magnétique selon l'axe c induit à basse température une cascade de plateaux d'aimantation, évoquant une structure en escalier du diable. Ces observations suggèrent une interaction subtile entre les moments magnétiques, les distorsions du réseau et le champ appliqué. Malgré les nombreuses études menées, les mécanismes microscopiques à l'origine de ces phénomènes, notamment le rôle des distorsions structurales, de l'anisotropie magnétique et des interactions d'échange, restent mal compris.
Ce projet de thèse vise à élucider les liens entre l'ordre magnétique, la dynamique du réseau et les champs externes dans TbB4. En combinant des expériences de diffusion de neutrons, des mesures d'aimantation et des études de dilatation thermique et de chaleur spécifique sous champ intense, ce travail permettra d'approfondir notre compréhension du diagramme de phases magnétiques et des excitations de ce matériau. S'appuyant sur des données existantes de diffraction des neutrons obtenues sous champ pulsé, de nouvelles expériences de diffusion de neutrons seront menées pour analyser plus finement les excitations et les structures magnétiques. Des mesures d'aimantation sous champ intense seront à nouveau réalisées pour étudier la stabilité des phases induites par le champ, tandis que les réponses thermodynamiques et structurales, sondées par des mesures de dilatation thermique et de chaleur spécifique sous champs, devraient permettre de révéler les interactions délicates entre les degrés de liberté magnétiques et structuraux.

Au cours de deux dernières décennies, les tétraborures de terres rares (RB, R désignant une Terre Rare), qui cristallisent dans une structure tétragonale de groupe d'espace P4/mbm, ont suscité un vif intérêt en raison de leurs diagrammes de phases complexes. Ces composés présentent une variété de phases magnétiques, résultant de la frustration géométrique du réseau des ions R³. Ceux-ci forment, dans le plan ab, un arrangement de carrés et de triangles équilatéraux, donnant naissance à des dimères orthogonaux topologiquement équivalents au réseau frustré de Shastry-Sutherland.
Selon la nature de l'atome R, différents mécanismes couplant les degrés de liberté du réseau, des orbitales et de charge ont été proposés pour expliquer leurs propriétés magnétiques inhabituelles (interaction RKKY, effets de champ cristallin ou ordre quadrupolaire). Une caractéristique récurrente de nombreux membres de la famille RB4 est la présence de plateaux d'aimantation observés pour des champs magnétiques modérés appliqués suivant l'axe de facile aimantation. Parmi ces composés, TbB4 fait figure d'exception avec une réponse magnétique fortement anisotrope et l'observation de plateau d'aimantation sous l'application de forts champs magnétiques (> 16 T) perpendiculairement au plan de facile aimantation.

Diffusion des neutrons, mesures d'aimantation, de dilatation thermique et de chaleur spécifique sous champs magnétiques

Nous recherchons un/une candidat(e) motivé(e), désireux/se de mener des expériences de pointe dans des conditions extrêmes et d'approfondir ses connaissances en magnétisme et en physique quantique. La personne retenue évoluera dans un environnement international et collaboratif, où elle développera une expertise en techniques expérimentales avancées tout en abordant des questions fondamentales sur la physique des systèmes géométriquement frustrés.