Transition de spin-Peierls

La transition de spin-Peierls est observée dans certains matériaux isolants antiferromagnétiques quasi-unidimensionnels. En dessous de la température de transition TSP, une distorsion du réseau cristallin apparaît, tandis qu'un gap Δ(T) se développe dans les excitations de spin. À basse température, la susceptibilité magnétique de spin tend vers zéro comme e-Δ(0)/T. La distorsion de réseau cristallin se traduit par l'observation de pics satellites en diffraction des rayons X ou des neutrons.

La transition de spin-Peierls est souvent précédée par un amollissement d'un mode de phonon qui devient statique à la transition.

Le tableau suivant présente quelques composés avec une transition de spin-Peierls. La majorité sont des composés organiques de Tétrathiafulvalène (TTF), Tétracyanoquinodiméthane (TCNQ) ou sel de Fabre (TMTTF).

Composés présentant une transition de Spin-Peierls
Composé Température de Transition
TTFCuS4C4(CF3)4 12K[1]
TTFAuS4C4(CF3)4 2.1K[1]
(TMTTF)2PF6 19K
(TMTTF)2AsF6 11K[2]
MEM-(TCNQ)2 19K[3]
(BCPTTF)2PF6 36K[4],[5]
(BCPTTF)2PF6 32.5K[5]
CuGeO3 14K[6],[7]
TiOCl 66K[8]

Du point de vue théorique, la transition de spin-Peierls peut être décrite en utilisant la transformation de Jordan-Wigner, qui ramène les spins-1/2 à des fermions sans spin en interaction, et permet dans la limite adiabatique (faible fréquence des phonons optiques) un traitement parallèle[9],[10] à celui de la Distorsion de Peierls. La phase de haute température, sans distortion[11], est un Liquide de Luttinger, tandis que la phase de basse température est décrite par le modèle de sinus-Gordon quantique. Dans le cas d'une fréquence élevée des phonons optiques (limite anti-adiabatique), une théorie de perturbation au second ordre[12] permet de montrer qu'une interaction entre les spins-1/2 analogue à celle créée par une frustration géométrique est générée. Une telle interaction conduit à l'ouverture d'un gap dans les excitations de spin par une dimérisation spontanée, là encore décrite par un modèle de sinus-Gordon quantique.

Notes et références
  1. (en) I. S. Jacobs, J. W. Bray, H. R. Hart et L. V. Interrante, « Spin-Peierls transitions in magnetic donor-acceptor compounds of tetrathiafulvalene (TTF) with bisdithiolene metal complexes », Physical Review B, vol. 14, no 7,‎ , p. 3036–3051 (ISSN 0556-2805, DOI 10.1103/PhysRevB.14.3036, lire en ligne, consulté le )
  2. (en) A. Maaroufi, S. Flandrois, G. Fillion et J. P. Morand, « Magnetic Instabilities in TMTTF Salts », Molecular Crystals and Liquid Crystals, vol. 119, no 1,‎ 1985-03-xx, p. 311–315 (ISSN 0026-8941, DOI 10.1080/00268948508075177, lire en ligne, consulté le )
  3. (en) S. Huizinga, J. Kommandeur, G. A. Sawatzky et B. T. Thole, « Spin-Peierls transition in N-methyl-N-ethyl-morpholinium-ditetracyanoquinodimethanide [MEM- ( TCNQ ) 2 ] », Physical Review B, vol. 19, no 9,‎ , p. 4723–4732 (ISSN 0163-1829, DOI 10.1103/PhysRevB.19.4723, lire en ligne, consulté le )
  4. (en) L. Ducasse, C. Coulon, D. Chasseau et R. Yagbasan, « Structural electronic and physical properties of (BCPTTF)2MF6(M=P,As). Occurrence of a Spin Peierls transition (Tspκ 30K). », Synthetic Metals, vol. 27, nos 3-4,‎ 1988-12-xx, p. 543–548 (DOI 10.1016/0379-6779(88)90197-X, lire en ligne, consulté le )
  5. (en) Q. Liu, S. Ravy, J.P. Pouget et C. Coulon, « Structural fluctuations and spin-peierls transitions revisited », Synthetic Metals, vol. 56, no 1,‎ 1993-03-xx, p. 1840–1845 (DOI 10.1016/0379-6779(93)90335-T, lire en ligne, consulté le )
  6. (en) Masashi Hase, Ichiro Terasaki et Kunimitsu Uchinokura, « Observation of the spin-Peierls transition in linear Cu 2 + (spin-1/2) chains in an inorganic compound CuGeO 3 », Physical Review Letters, vol. 70, no 23,‎ , p. 3651–3654 (ISSN 0031-9007, DOI 10.1103/PhysRevLett.70.3651, lire en ligne, consulté le )
  7. (en) J. P. Boucher et L. P. Regnault, « The Inorganic Spin-Peierls Compound CuGeO$\mathsf{_3}$ », Journal de Physique I, vol. 6, no 12,‎ , p. 1939–1966 (ISSN 1155-4304 et 1286-4862, DOI 10.1051/jp1:1996198, lire en ligne, consulté le )
  8. (en) Mohammad Shaz, Sander van Smaalen, Lukas Palatinus et Markus Hoinkis, « Spin-Peierls transition in TiOCl », Physical Review B, vol. 71, no 10,‎ , p. 100405 (ISSN 1098-0121 et 1550-235X, DOI 10.1103/PhysRevB.71.100405, lire en ligne, consulté le )
  9. (en) « Instability of the uniform antiferromagnetic chain », Solid State Communications, vol. 9, no 22,‎ , p. 1971–1973 (ISSN 0038-1098, DOI 10.1016/0038-1098(71)90593-X, lire en ligne, consulté le )
  10. E. Pytte, « Peierls instability in Heisenberg chains », Physical Review B, vol. 10, no 11,‎ , p. 4637–4642 (DOI 10.1103/PhysRevB.10.4637, lire en ligne, consulté le )
  11. M. C. Cross et Daniel S. Fisher, « A new theory of the spin-Peierls transition with special relevance to the experiments on TTFCuBDT », Physical Review B, vol. 19, no 1,‎ , p. 402–419 (DOI 10.1103/PhysRevB.19.402, lire en ligne, consulté le )
  12. (en) Kazuhiro Kuboki et Hidetoshi Fukuyama, « Spin-Peierls Transition with Competing Interactions », Journal of the Physical Society of Japan, vol. 56, no 9,‎ 1987-09-xx, p. 3126–3134 (ISSN 0031-9015 et 1347-4073, DOI 10.1143/JPSJ.56.3126, lire en ligne, consulté le )
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