Malgré sa longue histoire, le magnétisme reste à l'avant-garde de la recherche fondamentale en physique de la matière condensée. Cette thèse aborde trois projets interconnectés qui explorent des phénomènes clés du magnétisme, y compris la frustration géométrique dans les antiferromagnétiques fcc, l'effet magnétocalorique dans les matériaux ferromagnétiques, et le métamagnétisme dans le matériau supraconducteur à fermions lourds URhGe. Ces sujets représentent des domaines d'étude distincts mais connectés qui révèlent des aperçus importants sur le comportement des systèmes magnétiques et leurs transitions de phase.
La première partie de cette thèse examine la frustration géométrique dans les antiferromagnétiques à structure cubique à faces centrées (fcc), avec un accent particulier sur le ratio spécial des constantes d'échange, qui renforce la frustration dans le système. Cela mène à une représentation en blocs octaédriques du Hamiltonien de spins original, résultant en un modèle de spin fortement frustré. En utilisant des simulations de Monte Carlo, un diagramme de phase magnétique étonnamment riche a été obtenu. En particulier, ce modèle de spin présente deux plateaux de magnétisation.
Le deuxième projet explore le comportement métamagnétique du matériau supraconducteur à fermions lourds URhGe, un système aux propriétés magnétiques uniques. URhGe est un supraconducteur ferromagnétique qui présente un comportement magnétique distinctif. Ce comportement est particulièrement fascinant dans le contexte de l'interaction entre le magnétisme et la supraconductivité. Pour explorer les propriétés magnétiques de URhGe, un modèle théorique de spin avec des anisotropies magnétiques concurrentes a été développé. Le modèle a été analysé à la fois analytiquement à température nulle et par simulations de Monte Carlo à température finie. Le diagramme de phase construit présente un point tricritique et montre une excellente concordance quantitative avec le diagramme expérimental de URhGe. L'étude démontre que le comportement tricritique asymptotique du paramètre d'ordre et de la longueur de corrélation est décrit par les exposants critiques du champ moyen. Cette partie de la thèse contribue à la compréhension de la transition métamagnétique dans les supraconducteurs à fermions lourds et du rôle des anisotropies magnétiques dans la formation des diagrammes de phase de ces matériaux complexes.
Le dernier projet se concentre sur l'effet magnétocalorique (EMC) dans les matériaux ferromagnétiques, qui est un phénomène thermodynamique où la température d'un matériau varie en réponse à un champ magnétique appliqué. L'EMC est d'un grand intérêt tant pour la recherche fondamentale que pour des applications pratiques telles que la réfrigération magnétique. En utilisant des méthodes de Monte Carlo, l'EMC a été étudié dans le gadolinium ferromagnétique. Les résultats ont été comparés avec les données expérimentales disponibles, montrant une bonne concordance entre les simulations et les observations. Ce travail démontre que les simulations de Monte Carlo peuvent être utilisées non seulement pour étudier les transitions de phase et les phénomènes critiques, mais aussi pour modéliser des effets thermodynamiques, tels que l'effet magnétocalorique, avec une grande précision. Les résultats établissent en outre la polyvalence des méthodes de Monte Carlo dans l'étude du magnétisme et des propriétés thermodynamiques des matériaux magnétiques.
Les travaux présentés dans cette thèse soulignent l'applicabilité générale des simulations de Monte Carlo pour l'étude des matériaux magnétiques, des ferromagnétiques classiques aux systèmes plus exotiques comme les antiferromagnétiques frustrés. Les résultats présentés ici contribuent à une compréhension plus profonde de la physique du magnétisme et ouvrent de nouvelles possibilités pour la recherche future en physique de la matière condensée.

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Contact : Mike Zhitomirsky​ ; ​