Projet ANR-11-JS04-0001 – QCM : Phénomènes critiques quantiques dans les isolants de Mott dopés
Programme : JCJC - SIMI 4 - Physique (JCJC SIMI 4)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Patrice LIMELETTE (UNIVERSITE DE TOURS [FRANCOIS RABELAIS])
Partenaires : Laboratoire d'Électrodynamique des Matériaux Avances
Montant : 299520.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Phénomènes critiques quantiques dans les isolants de Mott dopésLa matière à fortes corrélations quantiques révèle de nombreuses propriétés remarquables associées à la criticalité quantique. Permettant l'émergence de comportements non-liquide de Fermi, ces fluctuations quantiques trouvent leur origine dans des points critiques quantiques. Dans ce context, le projet QCM s'intéresse aux phénomènes critiques quantiques dans les isolants de Mott dopés afin de caractériser et d'identifier de nouvelles phases métalliques, au delà du paradigme du liquide de Fermi.
Corrélations électroniques et Phénomènes critiques quantiques dans les isolants de Mott dopésLocalisé à température nulle, un point critique quantique résulte d’interactions en compétition qui peuvent être modifiées à l'aide d'un paramètre de contrôle non thermique, tel que la pression, le dopage ou le champ magnétique. Tandis que les métaux à Fermions lourds se sont imposés comme des matériaux prototypes pour étudier ces phénomènes, certains oxydes de métaux de transition comme les ruthénates ou les cuprates ont également révélé des propriétés remarquables associées à des criticalités quantiques. En plus, la plupart de ces oxydes ont en commun d'être des isolants de Mott dopés, c'est à dire que leur métallicité ne résultent que de l'introduction de porteurs de charge par le dopage. En son absence, la forte répulsion coulombienne localiserait les électrons dans un état isolant de Mott.Ainsi, nous proposons d'étudier les corrélations électroniques et les phénomènes critiques quantiques dans deux types d'isolants de Mott dopés, incluant tout d'abord un oxyde de cobalt. En plus de leur fort pouvoir thermoélectrique, les cobaltates AxCoO2 ont révélé un diagramme de phase très riche de même que des propriétés remarquables qui ont d'ores et déjà conduit à conjecturer une possible influence d'un point critique quantique à la fois théoriquement et expérimentalement. D'autre part, nous souhaitons synthétiser des oxydes de titane de formule générique (R1-yR’y)1-xAxTiO3, avec les ions trivalents terre-rare R et R' et l'ion divalent alcalin A afin de caractériser leur propriétés électroniques. Ces isolants de Mott offrent en effet un intérêt particulier car les interactions magnétiques peuvent être modulées en fonction des ions R et R', du ferromagnétisme jusqu'à l'antiferromagnétisme. En conséquence, l'on peut s'attendre à observer en contrôlant le rapport R/R' des comportements critiques quantiques en fonction du dopage et/ou du champ magnétique.
MéthodesL'objectif scientifique du projet QCM est de mieux appréhender les phénomènes critiques quantiques et leurs liens avec des états métalliques non conventionnels. Nous souhaitons en particulier caractériser les propriétés électroniques de tels systèmes afin d'être à même d'identifier des phases non-liquide de Fermi dans des matériaux à fortes corrélations.Tandis que des mesures préliminaires ont révélé des comportements critiques quantiques et des signatures non-liquide de Fermi dans l'oxyde de cobalt (BiBa0.66K0.36O2)CoO2, nous souhaitons étudier plus avant les propriétés en fonction du champ magnétique aux très basses températures (T<4 K). En effet, de telles mesures nous permettront de déterminer précisément des lignes de crossover entre liquide et non-liquide de Fermi, des comportements en lois de puissance caractérisant le transport et le coefficient de Sommerfeld. En plus, des grandeurs importantes telles que le rapport de Kadowaki-Woods pourrons être analysées, en particulier en régime critique quantique, de même que les propriétés d'échelle.La seconde partie du projet QCM requiert de synthétiser de nouvelles compositions d'oxydes de titane. En effet, tandis que le système de type pérovskite  R1-xAxTiO3 figure parmi les plus fameux exemples de transition de Mott induites par le dopage, il apparaît que seule la solution solide non dopée (R1-yR’y)TiO3 aient été étudiées. Ainsi, le dopage d'un tel système nous permettra d'explorer de nouvelles régions du diagramme de phase en caractérisant systématiquement leurs propriétés électriques, thermiques et thermodynamiques en fonction de la température, du dopage et du champ magnétique. Cette étude pourrait ainsi permettre de mieux comprendre l'effet de la compétition entre ferromagnétisme et antiferromagnétisme dans les isolants de Mott dopés, mieux appréhender les phénomènes critiques quantiques dans ces systèmes voire révéler de nouvelles phases métalliques.
Résumé de la soumission : La matière quantique à forte corrélation électronique recèle des propriétés remarquables des plus étonnantes lorsqu’elle découle d’une criticalité quantique. Conduisant à des comportements non-liquide de Fermi ou à une supraconductivité non-conventionnelle, ces fluctuations quantiques résultent de la présence de points critiques quantiques. Localisés à température nulle, ces points critiques quantiques sont la conséquence d’interactions en compétition qui peuvent être modifiées à l’aide d’un paramètre de contrôle tel que la le dopage ou le champ magnétique. Tandis que les métaux dits à Fermions lourds se sont imposés comme des matériaux prototypes pour étudier ces phénomènes, certains oxydes de métaux de transition tels que les ruthénates ou les cuprates supraconducteurs ont également révélé des propriétés étonnantes associées à des comportements critiques quantiques. La plupart de ces oxydes ont de plus en commun d’être des isolants de Mott dopés, i.e leur métallicité résulte de l’introduction de porteurs de charges additionnels par un dopage, à défaut de quoi la répulsion coulombienne localise les électrons pour former un état isolant de Mott.Dans ce contexte, le projet QCM est un programme de recherche fondamentale dans le domaine de la physique de la matière condensée. Il ambitionne d’étudier les phénomènes critiques quantiques dans les isolants de Mott dopés dans le but de caractériser des phases métalliques inhabituelles voire nouvelles, i.e au-delà du paradigme du liquide de Fermi.Pour ce faire, nous souhaitons étudier deux types d’isolants de Mott dopés incluant tout d’abord un oxyde de cobalt quasi-bidimensionnel. En plus de leur fort pouvoir thermoélectrique à température ambiante, les cobaltates de formule générique AxCoO2 ont révélé un diagramme de phases très riche de même que des propriétés des plus remarquables. Celles-ci ont d’ores et déjà conduit à conjecturer une possible influence de points critiques quantiques sur des bases théoriques et expérimentales. Ainsi, des résultats récents ont mis en évidence une criticalité quantique induite sous champ magnétique dans le composé métallique [BiBa0.66K0.36O2]CoO2, en étroite analogie avec les propriétés observées dans le métal à fermions lourds YbRh2[Si0.95Ge0.05]2. Nous proposons notamment de caractériser les propriétés de transport électrique et de chaleur spécifique jusqu’aux très basse températures, soit 0.4 K, et ce en fonction du champ magnétique. Ceci permettra alors de déterminer les exposants critiques nécessaires à la discussion sur l’universalité et la nature de cette criticalité quantique non conventionnelle.D’autre part, nous souhaitons élaborer des titanates de formules génériques (R1-yR’y)1-xAxTiO3, avec les ions trivalents (R,R’) et l’ion divalent A, afin d’en caractériser les propriétés électroniques. Ces compositions présentent en effet un intérêt tout particulier car les ions (R,R’) peuvent être choisis de sorte que l’un favorise des interactions antiferromagnétiques (AF) et l’autre, des interactions ferromagnétiques (F) aux basses températures. L’on peut alors s’attendre, pour des proportions données (R,R’) où les interactions AF et F sont en compétition, à observer des comportements critiques quantiques en fonction du dopage x et/ou du champ magnétique. L’on doit ici souligner que cette deuxième partie du projet QCM constitue vraisemblablement la plus ambitieuse. Elle requiert en effet la synthèse de nouvelles compositions d’oxydes de titane. En fait, alors que la famille R1-xAxTiO3 constitue un des systèmes les plus connus parmi ceux réalisant une transition métal-isolant due aux corrélations, il apparaît que seules les solutions solides non dopées (R1-yR’y)TiO3 ont été étudiées. La réalisation de tels composés dopés permettra alors d’explorer de nouvelles régions de leur diagramme de phase en caractérisant leurs propriétés électriques, thermiques et thermodynamiques en fonction de la température, du champ magnétique et du dopage.
Résultats : Nous avons étudié les propriétés spectroscopiques infra-rouge dans l'oxyde de cobalt à fortes corrélations  [BiBa0.66K0.36O2]CoO2. Ces mesures réalisées sur un monocristal nous ont permis de déterminer la conductivité optique en fonction de la température. En plus d'un transfert de poids spectral fortement dépendant de la température, un mode de basse énergie non conventionnel a été mis en évidence. Nous avons alors montré que sa fréquence propre et son taux de diffusion étaient directement proportionnels à la température. En fait, une analyse assez directe a démontré que la totalité de ce mode suivait un comportement d'échelle en fonction de la fréquence divisée par la température, et ce jusqu'à température ambiante. Ce comportement suggère ainsi des excitations de basse énergie de type non-liquide de Fermi découlant d'une criticalité quantique.
Perspectives : Nous étudions à l'heure actuelle  la synthèse de la solution solide non-dopée (R1-yR’y)TiO3 ainsi que ces propriétés électroniques en se focalisant sur les propriétés magnétiques afin de clarifier le diagramme de phase magnétique.
Publications et brevets : «omega/T scaling of the optical conductivity in strongly correlated layered cobalt oxide «; Limelette, P.; Phuoc, V. Ta; Gervais, F.; et al.
PHYSICAL REVIEW B 87, Issue: 3, 035102 (2013 ).