Impurities and disorder effects in low dimensionnal magnets

Influence des impuretes et du desordre dans des systemes magnetiques de basse dimensionnalite

Nicolas Laflorencie (1, 2)

1 LPT - Laboratoire de Physique Théorique
2 FFC - Fermions Fortement Corrélés (LPT)

In strongly correlated systems, such as copper oxydes, the interplay between quantum fluctuations and disorder can gives rise to a non trivial new physics. In order to achieve a good understanding of the peculiarity of impurities and disorder effects in low dimensionnal magnets, numerical tools have been intensively used during this PhD thesis. First, we will see that the behavior of finite size antiferromagnetic spin-1/2 chains with bond randomness is controlled by a crossover between a critical line of pure fixed points and an infinite randomness fixed point. Interestingly enough, a direct analogy with localization in one dimension will be discussed through the existence of only one relevant disorder dependent lenght scale which governs both phenomenon. In addition, we also deal with disorder effects in spin gapped systems through the problem of doping coupled frustrated spin-1/2 chains with non magnetic impurities, in order to describe the properties of the spin-Peierls compound CuGeO3 under doping. An effective low energy hamiltonian, which describes the interaction between impurities under the spin gap, is derived and studied with SSE quantum Monte Carlo simulations in order to investigate the impurity-induced antiferromagnetic ordering mechanism. The rest of the work is devoted to the unexpected behavior of the low temperature magnetic susceptibility which is understood with a real space renormalization group approach. Critical properties of this quasi-one dimensionnal system will be compared with previously known random magnets universality classes.

Dans les systemes fortement correles, tels que les oxydes de cuivre, la competition entre les fluctuations quantiques et le desordre peut donner lieu a une nouvelle physique, non triviale. Afin d'apprehender correctement la specificite des effets lies aux impuretes et au desordre dans certains systemes magnetiques de basse dimensionnalite, l'utilisation des techniques numeriques est au coeur de ce travail de these. Tout d'abord, nous verrons que la physique des chaines antiferomagnetiques de spin-1/2 avec des couplages aleatoires est, pour les systemes de taille finie, controlee par un crossover entre une ligne critique de points fixes purs et un point fixe qualifie de desordre infini. De plus, une analogie directe avec le probleme de la localisation a une dimension est soulevee, grace a l'emergence d'une seule et unique longueur d'echelle, dependant du desordre, gouvernant les deux phenomenes. Par ailleurs, l'influence du desordre sur des systemes ayant un gap de spin sera aussi abordee a travers le probleme du dopage en impuretes non magnetiques de chaines de spin-1/2 frustrees couplees, modelisant ainsi le comportement du compose spin-Peierls CuGeO3 dope. Un hamiltonien effectif de basse energie, decrivant l'interaction entre les impuretes sous le gap de spin, sera ensuite construit et etudie a l'aide de simulations Monte Carlo quantique SSE afin d'apprehender la mise en ordre antiferromagnetique induite par le dopage. La suite du travail sera dediee a l'etude du comportement inattendu de la susceptibilite magnetique a basse temperature a l'aide d'une methode de renormalisation des couplages dans l'espace reel. Le comportement critique de ce systeme quasi-unidimensionnel sera aussi compare aux classes d'universalites connues dans les systemes magnetiques soumis au desordre.

Mots clés: Disorder; spin-1/2 chains; impurities; simulations.

Mots clés: Desordre; chaines de spin1/2; spin-Peierls; CuGeO3; impuretes; simulations

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]; Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an]

Nicolas Laflorencie. Influence des impuretes et du desordre dans des systemes magnetiques de basse dimensionnalite. Matière Condensée [cond-mat]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00006529⟩