NMR and MuSR study of the electronic and magnetic properties of sodium cobaltates
Etude par RMN et MuSR des propriétés électroniques et magnétiques des cobaltates de sodium
Résumé
Fitting into the framework of strongly correlated materials, Na_xCoO2 cobaltates exhibit rich properties in terms of magnetism, superconductivity and thermoelectricity. They feature a vast doping range (0<=x<=1) together with a quasi-2D structure, with a triangular lattice allowing for geometrically frustrated interactions. Doping of CoO2 layers can be inhomogeneous, thus the possibility of charge and spin ordering of the cobalts, in which the structural order of the Na dopants could play a role. Using NMR, MuSR and SQUID, this thesis investigates the nature of magnetic correlations and the cobalt charge and spin states responsible for them, as well as the origin of the sometimes observed ordered magnetism. We show that for the extremal doping x=1 the system is non-magnetic as expected, with only the low-spin S=0 Co3+ state. On doping with holes (0.67<=x<=0.87), an apparent excess of magnetic correlations is evidenced. Starting from x~0.6, spin susceptibility is suddenly far less dependent on temperature, and shows a maximum compatible with a pseudogap at low-temperature. Simultaneously, spin fluctuations develop a non-ferromagnetic nature. Co3+ sites are progressively replaced with 3.5+ sites, which are the only sites at x=0.5, independently of temperature. Both for x=0.5 and x~0.8, the features of the ordered magnetism suggest an itinerant nature, possibly linked to Fermi surface reconstruction.
S'inscrivant dans le cadre général des matériaux fortement corrélés, les cobaltates Na_xCoO2 présentent de riches propriétés de magnétisme, supraconductivité et thermoélectricité. Elles associent une grande gamme de dopage (0<=x<=1) à une structure quasi-2D avec un réseau triangulaire susceptible d'interactions géométriquement frustrées. Le dopage des plans CoO2 peut y être inhomogène, si bien que des effets d'ordre de charge et de spin du cobalt sont possibles, avec l'influence éventuelle de l'ordre structural des dopants Na. Par RMN, MuSR et SQUID, cette thèse aborde le problème de la nature des corrélations magnétiques et des états de charge et de spin du cobalt qui en sont responsables, ainsi que l'origine du magnétisme ordonné parfois observé. Nous montrons qu'au dopage extrémal x=1, le système est non-magnétique comme attendu, avec seulement l'état Co3+ bas-spin S=0. En dopant alors en trous (0.67<=x<=0.87), un excès apparent de corrélations magnétiques est mis en évidence. À partir de x~0.6, la susceptibilité de spin est brutalement bien moins dépendante de la température, et présente un maximum compatible avec un pseudogap à basse température. Parallèlement, les fluctuations de spin acquièrent un caractère non-ferromagnétique. Les sites Co3+ cèdent progressivement la place à des sites 3.5+, seuls présents à x=0.5 à toute température. Tant à x=0.5 qu'à x~0.8, les caractéristiques du magnétisme ordonné suggèrent une nature itinérante, potentiellement liée à une reconstruction de la surface de Fermi.