Magnetoelectric effects in an organometallic quantum magnet

Metal-organic materials constitute a new field in which to search for ferroelectricity and coupling between electricity and magnetism. We observe a magnetic field-induced change in the electric polarization, Delta P(H), that reaches 50 mu C/m(2) in single crystals of NiCl(2)-4SC(NH(2))(2) (DTN). DTN forms a tetragonal structure that breaks inversion symmetry with the electrically polar thiourea molecules [SC(NH(2))] all tilted in the same direction along the c axis. The field H induces canted antiferromagnetism of the Ni S = 1 spins between 2 and 12 T and our measurements show that the electric polarization increases monotonically in this range, saturating above 12 T. By modeling the microscopic origin of this magnetoelectric effect, we find that the leading contribution to Delta P comes from the change in the crystal electric field, with a smaller contribution from magnetic exchange striction. The finite value of Delta P induced by magnetostriction results from the polar nature of the thiourea molecules bonded to the Ni atoms, and it is amplified by the softness of these organic molecules.

Quantum critical scaling at a Bose-glass/superfluid transition: Theory and experiment for a model quantum magnet

In this paper we investigate the quantum phase transition from magnetic Bose Glass to magnetic Bose-Einstein condensation induced by amagnetic field in NiCl2 center dot 4SC(NH2)(2) (dichloro-tetrakis-thiourea-nickel, or DTN), doped with Br (Br-DTN) or site diluted. Quantum Monte Carlo simulations for the quantum phase transition of the model Hamiltonian for Br-DTN, as well as for site-diluted DTN, are consistent with conventional scaling at the quantum critical point and with a critical exponent z verifying the prediction z = d; moreover the correlation length exponent is found to be nu = 0.75(10), and the order parameter exponent to be beta = 0.95(10). We investigate the low-temperature thermodynamics at the quantum critical field of Br-DTN both numerically and experimentally, and extract the power-law behavior of the magnetization and of the specific heat. Our results for the exponents of the power laws, as well as previous results for the scaling of the critical temperature to magnetic ordering with the applied field, are incompatible with the conventional crossover-scaling Ansatz proposed by Fisher et al. [Phys. Rev. B 40, 546 (1989)]. However they can all be reconciled within a phenomenological Ansatz in the presence of a dangerously irrelevant operator.

Bose glass and Mott glass of quasiparticles in a doped quantum magnet

The low-temperature states of bosonic fluids exhibit fundamental quantum effects at the macroscopic scale: the best-known examples are Bose-Einstein condensation and superfluidity, which have been tested experimentally in a variety of different systems. When bosons interact, disorder can destroy condensation, leading to a 'Bose glass'. This phase has been very elusive in experiments owing to the absence of any broken symmetry and to the simultaneous absence of a finite energy gap in the spectrum. Here we report the observation of a Bose glass of field-induced magnetic quasiparticles in a doped quantum magnet (bromine-doped dichloro-tetrakis-thiourea-nickel, DTN). The physics of DTN in a magnetic field is equivalent to that of a lattice gas of bosons in the grand canonical ensemble; bromine doping introduces disorder into the hopping and interaction strength of the bosons, leading to their localization into a Bose glass down to zero field, where it becomes an incompressible Mott glass. The transition from the Bose glass (corresponding to a gapless spin liquid) to the Bose-Einstein condensate (corresponding to a magnetically ordered phase) is marked by a universal exponent that governs the scaling of the critical temperature with the applied field, in excellent agreement with theoretical predictions. Our study represents a quantitative experimental account of the universal features of disordered bosons in the grand canonical ensemble.

Étude des aimants quantiques et supraconducteurs non conventionnels

Une première partie de ce mémoire portera sur l’analyse des états fondamentaux ma- gnétiques de deux composés isolants et magnétiquement frustrés SrDy2O4 et SrHo2O4. Une étude de la chaleur spécifique à basse température sous l’effet de champs magné- tiques de ces échantillons a été menée afin de détecter la présence de transitions de phases. L’utilisation d’un composé isotructurel non magnétique, le SrLu2O4, a permis l’isolement de la composante magnétique à la chaleur spécifique. Les comportements observés sont non conformes avec les transitions magnétiques conventionnelles. De plus, le calcul de l’entropie magnétique ne montre qu’un recouvrement partiel de l’entropie associée à un système d’ions magnétiques. En second lieu, une analyse des oscillations quantiques de Haas-van Alphen a été effectuée dans le LuCoIn5, composé apparenté au supraconducteur à fermions lourds CeCoIn5. Les résultats obtenus montrent une topologie de la surface de Fermi très différente comparativement aux CeCoIn5 et LaCoIn5, ayant un comportement beaucoup plus tridimensionnel sans les cylindres caractéristiques présents chez les autres membres de cette famille. Finalement, le montage d’un système de détection PIXE a permis l’analyse nucléaire d’échantillons afin de déterminer la concentration de chacun des éléments les constituant. L’analyse a été effectuée sur une série d’échantillons YbxCe1−xCoIn5 dont le changement de concentration a des effets importants sur les propriétés du système.

Effet de la symétrie sur la supraconductivité de LaRhSi3 et la frustration magnétique du SrRE2O4 (RE = Dy ou Ho)

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales.

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].

Aminoxyl radicals - pure organic materials with tunable magnetic and sensing properties

Stabile Radikale haben in vielen Bereichen der Chemie, Physik, Biologie und Biomedizin ihren Nutzen unter Beweis gestellt. Gerade im letzten Jahrzehnt erlebte diese Substanzklasse vor allem wegen den Anwendungsmöglichkeiten von Nitroxiden als Red-Ox-Sensoren oder magnetischen Materialen ein erneutes Interesse. Das erste Kapitel beschäftigt sich mit der grundlegenden Theorie zur Entwicklung magnetischer Materialien. Des Weiteren sollen anhand einiger Beispiele Radikale im Komplex mit paragmagnetischen Metallen, Biradikale und Polyradikale beschrieben werden. rnrnIm zweiten Kapitel soll auf die Synthese von Hybrid Fluorophore-Nitrononyl-Nitroxid und Iminonitroxidradiale, sowie ihre Charakterisierung über IR, CV, EPR und Röntgenstrukturanalyse eingegangen werden. Mittels UV/Vis-Spektroskopie soll hierbei eine mögliche Anwendung als Red-Ox-Sensoren festgestellt werden. Hierbei werden über anschließende PL Untersuchungen eben diese Sensoreigenschaften der dargestellten Radikale bestätigt werden. Vielmehr noch soll die Möglichkeit von Pyren-Pyrazol-Nitronyl-Nitroxid als NO-Nachweis erläutert werden.rnrnFortschritte sowohl im Design als auch in der Analyse von magnetischen Materialen auf der Basis von Nitroxiden ist Thema des dritten Kapitels. Über ein klassisches Ullmann-Protokoll wurden verschiedene Nitronyl-Nitroxid und Iminonitroxid Biradiale mit unterschiedlichen π-Brücken zwischen den Radikalzentren synthetisiert. Magnetische Messungen belegen einen relativ starken antiferromagnetischen intramolekularen Austausch für den Großteil der untersuchten Biradikale. Hierbei zeigte sich jedoch eine außergewöhnliche hohe Austausch-Kupplung für 3,3‘-Diazatolandiradikale, die nur über die Existenz von starken intermolekularen Wechselwirkungen beschrieben werden kann. Durch Kombination der Röntgenstrukturanalyse mit DFT Berechnungen konnte im Fall des Tolan verbrückten Diradikals 87c die Intra-Dimer-Kupplung auf Jintra = -8,6 K bestimmt werden. Ein direkter Beweis für eine intermolekulare Anlagerung von Jinter ~- 2K konnte über eine Tieftemperatur AC-Messung von 87c erhalten werden. Bezüglich der magnetischen Messung ist das Nitronyl Biradikal 87c ein vielversprechender Kandidat für einen rein organischen eindimensionalen Quantenmagnet.rnrnAbsicht dieser Untersuchungen ist es zu zeigen, dass über die Kombination verschiedener struktureller Elemente die Sensitivität von Nitroxid basierten Sensoren und die intramolekulare Austauschwechselwirkung in π-konjugierten Spinsystemen so eingestellt werden kann, dass es möglich ist Moleküle mit gezielten Sensor- oder Magneteigenschaften zu entwickeln. rn

New magnetic frameworks of [(CuF 2 (H 2 O) 2 ) x (pyz)]

Pressure-driven orbital reordering in the quantum magnet [CuF2(H2O)2- (pyz)], (pyz = pyrazine), dramatically affects its magnetic exchange interactions. The crystal chemistry of this system is enriched with a new phase above 3 GPa, surprisingly concomitant with other polymorphs. Moreover, we discovered an unprecedented compound with a different stoichiometry, [(CuF2(H2O)2)2(pyz)], featuring magnetic bi-layers.

Induced random fields in the LiHoxY1-xF4 quantum ising magnet in a transverse magnetic field

The LiHoxY1-xF4 magnetic material in a transverse magnetic field Bxx̂ perpendicular to the Ising spin direction has long been used to study tunable quantum phase transitions in a random disordered system. We show that the Bx-induced magnetization along the x̂ direction, combined with the local random dilution-induced destruction of crystalline symmetries, generates, via the predominant dipolar interactions between Ho3+ ions, random fields along the Ising ẑ direction. This identifies LiHoxY1-xF4 in Bx as a new random field Ising system. The random fields explain the rapid decrease of the critical temperature in the diluted ferromagnetic regime and the smearing of the nonlinear susceptibility at the spin-glass transition with increasing Bx and render the Bx-induced quantum criticality in LiHoxY1-xF4 likely inaccessible.

Character of magnetic excitations in a quasi-one-dimensional antiferromagnet near the quantum critical points: Impact on magnetoacoustic properties

We report results of magnetoacoustic studies in the quantum spin-chain magnet NiCl(2)-4SC(NH(2))(2) (DTN) having a field-induced ordered antiferromagnetic (AF) phase. In the vicinity of the quantum critical points (QCPs) the acoustic c(33) mode manifests a pronounced softening accompanied by energy dissipation of the sound wave. The acoustic anomalies are traced up to T > T(N), where the thermodynamic properties are determined by fermionic magnetic excitations, the ""hallmark"" of one-dimensional (1D) spin chains. On the other hand, as established in earlier studies, the AF phase in DTN is governed by bosonic magnetic excitations. Our results suggest the presence of a crossover from a 1D fermionic to a three-dimensional bosonic character of the magnetic excitations in DTN in the vicinity of the QCPs.

Cubic interactions and quantum criticality in dimerized antiferromagnets

In certain Mott-insulating dimerized antiferromagnets, triplet excitations of the paramagnetic phase display both three-particle and four-particle interactions. When such a magnet undergoes a quantum phase transition into a magnetically ordered state, the three-particle interaction becomes part of the critical theory provided that the lattice ordering wave vector is zero. One microscopic example is the staggered-dimer antiferromagnet on the square lattice, for which deviations from O(3) universality have been reported in numerical studies. Using both symmetry arguments and microscopic calculations, we show that a nontrivial cubic term arises in the relevant order-parameter quantum field theory, and we assess its consequences using a combination of analytical and numerical methods. We also present finite-temperature quantum Monte Carlo data for the staggered-dimer antiferromagnet which complement recently published results. The data can be consistently interpreted in terms of critical exponents identical to that of the standard O(3) universality class, but with anomalously large corrections to scaling. We argue that the cubic interaction of critical triplons, although irrelevant in two spatial dimensions, is responsible for the leading corrections to scaling due to its small scaling dimension.

Mn-doped II-VI quantum dots: artificial molecular magnets

The notion of artificial atom relies on the capability to change the number of carriers one by one in semiconductor quantum dots, and the resulting changes in their electronic structure. Organic molecules with transition metal atoms that have a net magnetic moment and display hysteretic behaviour are known as single molecule magnets (SMM). The fabrication of CdTe quantum dots chemically doped with a controlled number of Mn atoms and with a number of carriers controlled either electrically or optically paves the way towards a new concept in nanomagnetism: the artificial single molecule magnet. Here we study the magnetic properties of a Mn-doped CdTe quantum dot for different charge states and show to what extent they behave like a single molecule magnet.

Quantum Dots As Biophotonics Tools.

This chapter provides a short review of quantum dots (QDs) physics, applications, and perspectives. The main advantage of QDs over bulk semiconductors is the fact that the size became a control parameter to tailor the optical properties of new materials. Size changes the confinement energy which alters the optical properties of the material, such as absorption, refractive index, and emission bands. Therefore, by using QDs one can make several kinds of optical devices. One of these devices transforms electrons into photons to apply them as active optical components in illumination and displays. Other devices enable the transformation of photons into electrons to produce QDs solar cells or photodetectors. At the biomedical interface, the application of QDs, which is the most important aspect in this book, is based on fluorescence, which essentially transforms photons into photons of different wavelengths. This chapter introduces important parameters for QDs' biophotonic applications such as photostability, excitation and emission profiles, and quantum efficiency. We also present the perspectives for the use of QDs in fluorescence lifetime imaging (FLIM) and Förster resonance energy transfer (FRET), so useful in modern microscopy, and how to take advantage of the usually unwanted blinking effect to perform super-resolution microscopy.

Measuring The Hydrodynamic Radius Of Quantum Dots By Fluorescence Correlation Spectroscopy.

Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) is an optical technique that allows the measurement of the diffusion coefficient of molecules in a diluted sample. From the diffusion coefficient it is possible to calculate the hydrodynamic radius of the molecules. For colloidal quantum dots (QDs) the hydrodynamic radius is valuable information to study interactions with other molecules or other QDs. In this chapter we describe the main aspects of the technique and how to use it to calculate the hydrodynamic radius of quantum dots (QDs).