Pourquoi ils changent de site dans les oxydes antiferromagnétiques

La spectroscopie des muons est une technique expérimentale importante utilisée par les scientifiques pour étudier les propriétés magnétiques des matériaux. Elle repose sur « l’implantation » d’un muon polarisé en spin dans le cristal et sur la mesure de la manière dont son comportement est affecté par l’environnement.

La technique repose sur l’idée que le muon occupera un site bien identifié, principalement déterminé par les forces électrostatiques, et que l’on pourra trouver en calculant la structure électronique du matériau.

Mais une nouvelle étude menée par des scientifiques en Italie, en Suisse, au Royaume-Uni et en Allemagne a révélé que, au moins pour certains matériaux, ce n’est pas la fin de l’histoire : le site du muon peut changer en raison d’un effet bien connu mais jusqu’alors négligé, magnétostriction.

Pietro Bonfà de l’Université de Parme, auteur principal du étude Publié dans Lettres d’examen physiqueexplique que son groupe et ses collègues de l’Université d’Oxford (Royaume-Uni) utilisent depuis au moins une décennie des simulations de la théorie de la fonction densité (DFT) pour trouver des sites de muons.

« Nous avons commencé avec des cas délicats, tels que l’oxyde d’europium et l’oxyde de manganèse, et dans les deux cas, nous n’avons pas trouvé de moyen raisonnable de concilier les prévisions DFT et les expériences », explique-t-il.

« Nous avons ensuite testé des systèmes plus simples et nous avons eu de nombreuses prédictions réussies, mais ces deux cas nous dérangeaient vraiment. Ces composés devraient être faciles mais se sont révélés super compliqués et nous n’avons pas compris ce qui se passait. L’oxyde de manganèse est un cas d’école. d’un système antiferromagnétique, et nous ne pouvions pas expliquer les résultats de la spectroscopie des muons, ce qui était un peu embarrassant.

Le problème, explique-t-il, résidait dans la contradiction entre l’espoir de trouver le muon dans une position de symétrie élevée et sa tendance bien connue à établir des liaisons avec des atomes d’oxygène. L’ordre antiferromagnétique du matériau réduit la symétrie et la position proche des atomes d’oxygène devient incompatible avec les expériences.

Bonfà a soupçonné que l’explication pourrait être liée au matériau subissant une transition de phase magnétique et a commencé à essayer de reproduire le phénomène dans des simulations d’oxyde de manganèse.

« Comme il s’agit d’un système complexe, vous devez ajouter quelques corrections au DFT, comme le paramètre Hubbard U », a-t-il déclaré. « Mais nous avons choisi sa valeur de manière empirique, et lorsque vous faites cela, vous avez beaucoup d’incertitude, et les résultats peuvent changer considérablement en fonction de la valeur que vous choisissez. »

Pourtant, les premières simulations de Bonfà suggéraient que les positions des muons pourraient être déterminées par la magnétostriction, un phénomène qui amène un matériau à modifier sa forme et ses dimensions pendant la magnétisation. Pour le prouver sans aucun doute, il s’est associé aux laboratoires MARVEL de l’EPFL et du PSI de Nicola Marzari et Giovanni Pizzi.

« Nous avons utilisé une méthode de pointe appelée DFT+U+V, qui s’est avérée très importante pour rendre les simulations plus précises », explique Iurii Timrov, chercheur au Laboratoire de simulation des matériaux du PSI et co-auteur de l’étude. étude.

Cette méthode peut être utilisée avec les paramètres Hubbard sur site U et V intersite qui sont calculés à partir des premiers principes au lieu d’être choisis empiriquement, grâce à l’utilisation de la théorie des perturbations fonctionnelles de densité pour DFT+U+V qui a été développée dans MARVEL et implémentée dans le Forfait ESPRESSO quantique.

« Même si nous avions déjà compris que la magnétostriction était en jeu, il était très important de disposer des informations correctes sur les éléments constitutifs de la simulation, et cela provenait du travail d’Iurii », ajoute Bonfà.

En fin de compte, la solution à l’énigme était relativement simple : la magnétostriction, qui est l’interaction entre les degrés de liberté magnétiques et élastiques dans le matériau, provoque une transition de phase magnétique dans MnO à 118 K, à laquelle le site du muon change. Au-dessus de cette température, le muon se délocalise autour d’un réseau de sites équivalents, ce qui explique le comportement inhabituel observé dans les expériences à haute température.

Les scientifiques s’attendent à ce que la même chose soit également vraie pour de nombreux autres oxydes magnétiques structurés en sel gemme.

À l’avenir, explique Timrov, le groupe souhaite continuer à étudier le même matériau, y compris également les effets de température, en utilisant une autre technique avancée développée dans MARVEL et appelée approximation harmonique auto-cohérente stochastique.

De plus, et en collaboration avec le groupe de Giovanni Pizzi de l’Institut Paul Scherrer, cette approche sera mise à la disposition de la communauté à travers le AiiDAlab interface, afin que tous les expérimentateurs puissent l’utiliser pour leurs propres études.