Ordre magnétique non-conventionnel dans le réseau hyperkagomé Yb3Ga5O12 — en

La recherche sur les systèmes magnétiques géométriquement frustrés est un domaine particulièrement fécond qui a permis la mise en évidence de nouveaux états de la matière condensée comme les liquides de spin, les glaces de spins ou les systèmes où coexistent ordre et désordre magnétique. La présence de nombreux niveaux de basse énergie confère aussi à ces matériaux de très bonnes propriétés magnétocaloriques à très basse température. Dans ce contexte, nous avons étudié dans une collaboration entre l’IRIG et l’institut Néel, le grenat d’ytterbium Yb₃Ga₅O₁₂ du point de vue de la physique fondamentale jusqu’à celui des applications pour le refroidissement par désaimantation adiabatique des détecteurs dans les satellites.

Ce composé est constitué de deux réseaux tridimensionnels de triangles partageant un sommet, appelés réseaux hyperkagomés, en référence au motif des paniers japonais en bambou. Nous avons pu déterminer, sur un échantillon monocristallin, la structure magnétique de Yb₃Ga₅O₁₂ à très basse température (30 mK) en utilisant le diffractomètre CRG-CEA D23 à l’Institut Laue Langevin. Ceci a été rendu possible grâce à une attention particulière portée sur la thermalisation de l’échantillon. Bien qu’une transition à 54 mK soit connue en chaleur spécifique depuis 45 ans, aucune sonde microscopique (spectroscopies de muons et Mössbauer) n’avait mis en évidence un ordre magnétique statique jusqu’à présent. Contrairement aux autres grenats dont la période magnétique est celle de la maille cristallographique (structure k=0), le vecteur de propagation trouvé est, de façon inattendue, k=(1/2, 1/2, 0). L’agencement des moments magnétique obtenu semble compatible avec des interactions dominantes de type dipolaire et une faible anisotropie locale planaire. Le moment ordonné réduit de l’ordre de 0.6 μ_B (par rapport aux 1.8 μ_B attendus) pourrait indiquer la présence de fluctuations quantiques. Des études complémentaires de diffusion inélastique des neutrons et des calculs théoriques sont en cours pour expliquer la stabilité de cette structure unique parmi les grenats. En parallèle avec le célèbre grenat à base de gadolinium, Gd₃Ga₅O₁₂, nos résultats sur le grenat d’ytterbium soulignent l’intérêt qu’a pour le magnétisme frustré, cette géometrie hyperkagomé dans la limite des faibles anisotropies.