Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide - LPCES

1 : CuGeO3 et autres composés à chaînes de spins

La découverte en 1993 d'une phase spin-Peierls (SP) à basse température dans le composé magnétique inorganique CuGeO3 a suscité un très grand regain d'intérêt pour l'étude de la transition SP. Le composé CuGeO3 est constitué de chaînes linéaires uniformes (U) de spins 1/2, portés par les ions cuivre, à couplage antiferromagnétique (AF) de type Heisenberg. Couplées au champ de phonons tridimensionnel (3D), ces chaînes deviennent instables : il en résulte une dimérisation 3D de ces dernières, en dessous d'une température critique TSP = 14.25 K, et l'ouverture d'un gap d'énergie finie 2meV 24 K entre l'état fondamental singulet non magnétique (Stot = 0) et les premiers états excités (triplet Stot = 1). Cette transition SP se manifeste par une chute brutale de la susceptibilité magnétique selon les trois directions cristallographiques du composé et par l'apparition de pics de surstructure en dessous de TSP.
Nous avons su très rapidement, et pratiquement les seuls dans le monde, élaborer des monocristaux de CuGeO3 de très grande taille et de très bonne qualité cristalline, par fusion de zone verticale dans un four à image. Le contrôle de l’orientation des cristaux et celui de leur substitution par des éléments homovalents, à des taux variables, sur les sites Cu et Ge du composé, nous ont permis de disposer de très nombreux échantillons ouvrant un champ de recherche considérable : celui de l’étude des propriétés physiques du premier composé SP inorganique et de l’évolution de celles-ci par coupure des chaînes de Cu de la structure par des ions magnétiques, de spin différent, ou des ions non magnétiques. La croissance de dizaines de cristaux, associée à une interaction forte à Orsay avec des spécialistes de la physique des composés à chaînes de spins (J. P. Renard, J. P. Pouget) nous ont rapidement ouvert un champ de recherches particulièrement fécond qui nous a permis de nouer de très nombreuses collaborations nationales (notamment ILL et CRTBT à Grenoble, LLB à Saclay) et internationales, avec des équipes de tout premier plan dont on trouvera plus loin la liste.
De la très abondante moisson de données obtenue ces dernières années, provenant de mesures magnétiques, neutroniques, mesures de chaleur spécifiques, conductivité thermique, RMN, etc..., on se limitera ici à quelques résultats récents, obtenus notamment avec le groupe de J. P. Renard à Orsay, celui de L. P. Regnault à l’ILL et celui de M. Poirier à l’Université de Sherbrooke (Canada).