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Ground-state and quantum phase transitions in two-dimensional dipolar antiferromagnets with honeycomb lattice

English title Ground-state and quantum phase transitions in two-dimensional dipolar antiferromagnets with honeycomb lattice
Applicant Roessli Bertrand
Number 175484
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.04.2018 - 31.03.2021
Approved amount 166'005.00
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Keywords (2)

Neutron scattering; Quantum phase transition

Lay Summary (French)

Lead
Nous étudierons l'état fondamental et les excitations magnétiques dans les tribromures de terres rares (R) RBr3 et les triodures RI3 qui sont des représentants prototypiques d'aimants dont les états fondamentaux sont gouvernés uniquement par des interactions dipolaires. Dans la première partie de ce projet, nous allons déterminer le champ cristallin dans ces composés, car il régit l'anisotropie des propriétés magnétiques. L'application d'un champ magnétique externe dans RX3 nous permettra d'étudier les transitions de phase isolant spin-superfluide du modèle de Bose-Hubbard avec la diffusion des neutrons. Nous allons nous concentrer sur la détermination des exposants critiques des transitions de phase quantique pour déterminer la classe d'universalité des aimants dipolaires bidimensionnels pour le réseau en nid d'abeille qui n'est pas connue.
Lay summary

La frustration dans les systèmes magnétiques provient de l'incapacité de satisfaire simultanément les interactions sur toutes les liaisons. Les interactions dipolaires sont intrinsèquement frustrées car leur nature à long terme rend en général impossible de satisfaire toutes les interactions. Ce n'est que dans le cas simple de dipôles classiques sur un ordre de réseau cubique, comme démontré par Luttinger et Tisza, et l'ordre connexe a été observé expérimentalement dans LiYF4, avec Y = Tb, Ho, Er.

En général, cependant, les interactions dipolaires conduisent à des états liquides de spin, ou, comme dans les trihalogénures de terres rares ErX3 (X = Cl, I, Br), à l'ordre non colinéaire. Nos expériences récentes sur ErI3, montrent que l'état fondamental présente une symétrie émergente U (1) décrite par un modèle XY efficace avec une transition Kosterlitz-Thouless (KT) concomitante dans une phase superfluide de spin. La phase à basse température implique des corrélations de désintégration algébrique et la transition de phase est conduite par la dissociation des paires vortex-antivortex.

Le but de ce projet est d'approfondir notre compréhension des propriétés magnétiques statiques et dynamiques des trihalydes RX3, R = terres rares qui ont des réseaux en nid d'abeilles non déformés. Ces composés sont des systèmes modèles d'aimants bidimensionnels qui subissent des transitions de phase quantique vers une phase spin-superfluide dans des champs magnétiques appliqués. Les transitions de phase quantique sont de nos jours pertinentes dans de nombreux domaines de la physique comme la transition magnétique dans les supraconducteurs à haute température, les transitions métal-isolant, les systèmes de spin quantique spin-liquide ou bicouche.

Comprendre la superfluidité du spin peut ouvrir la porte à de nouveaux dispositifs spintroniques où l'information peut être transportée par des spins sans se dissiper.

Direct link to Lay Summary Last update: 25.05.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Abstract

At the Laboratory for Neutron Scattering and Imaging at the Paul Scherrer Institut we will investigate the magnetic ground-state and excitations in the rare-earth (R) tribromides RBr3 and triodides RI3 that are prototypical representatives of magnets whose ground-states are governed by dipolar interactions only. In the first part of this project we will study determine the crystal-field parameters of these compounds as they determine the anisotropy of the magnetic properties of these compounds. Application of an external magnetic field in RX3 will allow us to study the quantum phase transitions with elastic and inelastic neutron scattering. We will concentrate on the determination of the critical exponents of the quantum phase transitions to determine the universality class of the two-dimensional dipolar magnets for the honeycomb lattice which is not known.
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