Soutenance de thèse de Julien LÉVÊQUE

Dans cette thèse, nous décrivons le comportement magnétique de composés potentiellement multiferroïques. Ces matériaux, à l'interface des systèmes magnétiques, ferroélectriques et ferroélastiques, permettent de coupler leurs propriétés et de concevoir des systèmes plus performants. Cependant, ces composés présentent une ou plusieurs températures de transition au-delà desquelles ils perdent leurs propriétés, ce qui limite leur intérêt applicatif. En particulier, dans ces systèmes, les températures de transition magnétiques sont généralement inférieures à la température ambiante. Il est donc important d'étudier les propriétés magnétiques de ces systèmes afin d'identifier des composés capables de fonctionner à des températures proches de la température ambiante, en vue de permettre l'émergence d'une technologie plus efficace basée sur ces matériaux. Cette thèse théorique est basée sur l'utilisation de méthodes ab-initio. Des méthodes de configuration d'interaction multi-références permettant un traitement plus précis de la corrélation électronique sont utilisées pour calculer les interactions magnétiques. En particulier, nous utilisons la méthode SAS+S, qui nous permet de réaliser des calculs jusqu'alors impossibles. Nous utilisons également les méthodes de la fonctionnelle de la densité pour calculer les propriétés de la structure cristalline. Des méthodes classiques de Monte Carlo sont utilisées pour étudier l'évolution des propriétés magnétiques de ces composés avec la température. Cette méthode nous permet d'étudier la température de transition de ces composés. Pour ce faire, un code a été développé au cours de cette thèse. Partant du constat que c'est, en général, la température de transition magnétique qui limite ces systèmes, nous nous intéressons aux systèmes à base de cuivre, car ils ont tendance à former des interactions magnétiques fortes et permettent donc l'existence de températures de transition élevées. Nous nous concentrons sur l'étude de 4 composés. Tout d'abord, nous étudions le BaCuF4, qui s'avère incapable d'établir un ordre magnétique. Ceci justifie notre choix d'étudier BaNiF4 afin de comprendre l'ordre magnétique et d'illustrer le rôle que peut jouer l'anisotropie dans celui-ci. Ensuite, avec l'étude du NaCu3F7, nous montrons l'importance de la directionnalité des orbitales magnétiques dans l'existence de l'ordre magnétique. Nous examinerons également l'évolution de cet ordre lorsque le matériau est soumis à un champ magnétique. Puis nous nous intéressons au Cu2OCl2, qui a déjà été identifié comme multiferroïque mais dont le magnétisme est encore mal compris. Ce composé sera l'occasion de mettre en perspective les possibilités et les limites des méthodes actuelles. Enfin, l'étude du CoCu2O3 nous permettra de prédire le comportement magnétique de ce système. En particulier, nous montrons l'influence clé du cobalt sur ce comportement. En raison d'un degré de frustration très élevé dans ce composé, nous prédisons l'existence d'une brisure de symétrie sans réussir à l'observer dans nos simulations.

In this thesis, we describe the magnetic behaviour of potentially multiferroic compounds. These materials, at the interface of magnetic, ferroelectric and ferroelastic systems, make it possible to couple their properties and design more efficient systems. However, these compounds have one or more transition temperatures beyond which they lose their properties, which limits their applicative interest. In particular, in these systems, the magnetic transition temperatures are generally below ambient temperature. It is therefore important to study the magnetic properties of these systems in order to identify compounds capable of operating at temperatures close to room temperature, with a view to enabling the emergence of a more efficient technology based on these materials. This theoretical thesis is based on the use of ab-initio methods. Multi-reference interaction configuration methods allowing more accurate treatment of electronic correlation are used to calculate magnetic interactions. In particular, we use the SAS+S method, which enables us to carry out previously impossible calculations. We also use density functional methods to calculate the properties of the crystal structure. Classical Monte Carlo methods are used to study the evolution of the magnetic properties of these compounds with temperature. This method allows us to study the transition temperature of these compounds. To do this, a code was developed during this thesis. Starting from the observation that it is generally the magnetic transition temperature that limits these systems, we are interested in copper-based systems, as they tend to form strong magnetic interactions and therefore allow the existence of high transition temperatures. We are concentrating on the study of 4 compounds. First, we study BaCuF4, which is found to be unable to establish magnetic order. This justifies our choice to study BaNiF4 in order to understand magnetic order and to illustrate the role that anisotropy can play in it. Then, with the study of NaCu3F7, we show the importance of the directionality of the magnetic orbitals in the existence of magnetic order. We will also examine the evolution of this order when the material is subjected to a magnetic field. We are then interested in Cu2OCl2, which has already been identified as multiferroic but whose magnetism is still poorly understood. This compound will provide an opportunity to put the possibilities and limitations of current methods into perspective. Finally, the study of CoCu2O3 will enable us to predict the magnetic behaviour of this system. In particular, we show the key influence of cobalt on this behaviour. Due to a very high frustration in this compound, we predict the existence of symmetry breaking without succeeding in observing it in our simulations.