Section 03 Matière condensée : structures et propriétés électroniques

IV. Fortes corrélations et nouveaux ordres électroniques

Les systèmes à fortes corrélations, en particulier électroniques, connaissent de nombreux développements expérimentaux et théoriques. La découverte de nouveaux composés aux propriétés très diverses renouvelle continuellement l'étude de problèmes variés tels que la transition métal-isolant, la supraconductivité non conventionnelle, le magnétisme quantique, ou la superfluidité. La coexistence au sein d'un même matériau de propriétés parfois antinomiques a donné naissance à de nouvelles directions de recherche telles que les isolants topologiques (discutés précédemment dans la section II.D), isolants en volume mais conducteurs en surface, ou les matériaux multiferroïques où les ordres magnétiques et électriques sont présents simultanément. Bien que d'essence fondamentale, les études sur les systèmes fortement corrélés ont des applications pratiques dans des domaines comme la thermoélectricité, la supraconductivité, les matériaux magnétiques fonctionnels. La grande richesse des systèmes corrélés vient aussi de la possibilité de contrôler – au moins partiellement – leurs propriétés physiques en jouant sur le dopage chimique, la pression hydrostatique ou le champ magnétique ou électrique.

L'étude des composés à fortes corrélations s'appuie sur un ensemble de techniques expérimentales souvent sous conditions extrêmes de température, de champ magnétique ou de pression : mesures thermodynamiques ou de transport (électrique, thermique, ou thermoélectrique), méthodes de spectroscopie à l'échelle globale (RMN, RPE, Raman, muons, ARPES, neutrons, rayons X) ou locale (microscopies et spectroscopies de champ proche), diffractions X ou neutroniques, en particulier sur les TGIR (voir VI).

Ces techniques sont en constante évolution dans le but d'améliorer la résolution spatiale, temporelle ou en énergie ou de les conjuguer (très fort champ magnétique statique ou pulsé et diffraction). De nouvelles techniques voient ainsi le jour, comme le laser-ARPES capable d'atteindre des résolutions sub meV, donc d'accéder aux énergies caractéristiques des corrélations, ou la méthode d'interférence de quasiparticule (QPI) par STM donnant une image des propriétés électroniques à l'échelle du nm. Les mesures pompe-sonde à l'aide de lasers femtosecondes permettent de remonter à la dynamique ultra-rapide des électrons. Ces techniques deviendront incontournables dans l'avenir pour appréhender la complexité des systèmes d'électrons fortement corrélés.

Sur le plan théorique, des développements méthodologiques (e.g. extensions en cluster du champ moyen dynamique – DMFT), algorithmiques (e.g. Monte Carlo Quantique diagrammatique) ou encore des théories effectives de basse énergie (e.g. modèle de dimères quantiques) apportent un gain considérable dans la compréhension globale des diagrammes de phase des composés à fortes corrélations et permettent une comparaison directe avec les expériences

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A. Les matériaux

Parmi les faits marquants de ces dernières années, on peut citer la découverte en 2008 d'une nouvelle famille de supraconducteurs à haute température, à base de fer : les pnictures. Leur étude pourrait permettre d'élucider l'origine de la supraconductivité à haute température. Pour être présente dans ce domaine très compétitif, la communauté s'est structurée au plan national avec un dialogue permanent entre physiciens et chimistes dont l'apport est essentiel pour la synthèse de monocristaux de haute qualité, sous peine d'un retard souvent fatal dans la compétition internationale.

Un autre sujet en plein développement est celui des oxydes complexes de métaux de transition (voir aussi III.F). Ces matériaux fonctionnels ont de nombreuses propriétés, modulables entre autres grâce à la stœchiométrie en oxygène, et intéressantes tant du point de vue fondamental qu'appliqué : magnétorésistance géante, filtrage de spin, magnétisme frustré, supraconductivité non conventionnelle, multiferroïcité, propriétés thermoélectriques, etc. Récemment, un progrès important a été de réaliser des hétérostructures d'oxydes fonctionnels en empilant des couches nanométriques avec des interfaces atomiquement abruptes grâce à diverses techniques d'élaboration physique : ablation laser, épitaxie par jets moléculaires, co-pulvérisation réactive, etc. Ces hétérostructures permettent de stabiliser des nouvelles phases et interfaces, et d'obtenir de nouvelles fonctionnalités. En particulier, comme pour les semiconducteurs usuels, on peut créer un gaz électronique 2D de haute mobilité dans des hétérostructures d'isolants de bande (e.g. LaAlO3/SrTiO3). La possibilité de contrôler par une tension de grille les propriétés de ces hétérostructures permet d'envisager des matériaux à fort potentiel applicatif : électronique tout oxyde, multiferroïques artificiels (BiFeO3, YMnO3), structures de type SrTiO3/Nb-SrTiO3 présentant des effets thermoélectriques, etc. Sur le plan fondamental, les hétéro-structures artificielles offrent un angle d'attaque original pour l'étude des phases électroniques fortement corrélées, un exemple étant l'induction de la supraconductivité à l'interface entre deux oxydes isolants ou l'épitaxie de FeSe induisant une augmentation importante de la température critique.

B. Au-delà de l'interaction Coulombienne

La transition de Mott est un ingrédient fondamental de la physique des systèmes à fortes corrélations sous-jacente à la supraconductivité à haute Tc ou à l'apparition d'ordres magnétiques complexes. Habituellement l'interaction entre le spin de l'électron et les moments orbitaux locaux se limite à l'interaction coulombienne et l'exclusion de Pauli. Les oxydes à base d'iridium (iridates) présentent en plus une forte interaction spin-orbite menant à des interactions très anisotropes et des structures magnétiques frustrées, voire des comportements exotiques (isolant de Weyl, liquide de spin quantique). Une tendance actuelle est d'étudier les propriétés de ces composés et les mécanismes mis en jeu lors de la transition de Mott par des méthodes microscopiques en combinant spectroscopie et manipulation de l'état de charge.

L'origine des corrélations fortes ne se limite pas à la proximité d'une transition de Mott, le couplage de Hund peut aussi être à l'origine de corrélations électroniques dans des métaux, comme le montrent des calculs LDA+DMFT dans le cas des ruthénates et des supraconducteurs à base de fer.

C. La supraconductivité non conventionnelle

Un enjeu majeur de la recherche actuelle sur la supraconductivité non conventionnelle est son lien, voire sa coexistence, avec d'autres phases présentant un ordre de charge ou un ordre magnétique. La présence et le rôle des transitions de phase quantiques sont ainsi discutés aussi bien pour les composés à fermions lourds que pour les cuprates, les supraconducteurs organiques et les pnictures. Cette famille de supraconducteurs à base de As, Se, Te s'est montrée très riche tant en nombre de composés découverts qu'en phénomènes révélés. Des expériences de spectroscopie Raman explorent l'origine de l'ordre nématique de charge (brisant la symétrie de groupe ponctuel mais pas celle de translation) apparaissant lors de la transition structurale précédant l'apparition de la supraconductivité dans les pnictures.

Un ordre de charge dans YBCO sous-dopé a été découvert par RMN, un ordre induit sous champs magnétiques intenses, qui coïncide avec la restructuration de la surface de Fermi dans la partie sous-dopée du diagramme de phase. L'ordre de charge a été confirmé par diffraction de rayons X dans YBCO, puis dans d'autres composés : Bi2212, Bi2201 et Hg1201. On pense que les propriétés électroniques anormales, observées dans l'état pseudogap, pourraient être une conséquence de l'apparition de corrélations de charge.

D. Compétition et coexistence des différents ordres

Une des particularités des systèmes à fortes corrélations est la vaste variété d'états fondamentaux accessibles. Ceci conduit à une compétition très forte entre ces états à différentes échelles, macroscopique, microscopique, ou même atomique lorsque le même site est impliqué dans les différents types d'ordre. L'apparition d'un ordre de charge provoque un déplacement ionique qui va être amplifié par le couplage électron-phonon induisant un ramollissement du réseau.

À l'échelle macroscopique, la compétition peut induire une séparation de phases comme dans les composés moléculaires, les fermions lourds ou dans les manganites, où elle serait à l'origine de la magnétorésistance colossale. À l'échelle microscopique, elle peut conduire à une modulation du paramètre d'ordre avec un vecteur d'onde précis et la formation de bandes (« stripes ») révélée par diffraction X ou neutronique, microscopie en champ proche ou RMN.

Ainsi, la coexistence entre la supraconductivité et le magnétisme apparaît également dans les supraconducteurs sous fort champ magnétique : phases FFLO dans les supraconducteurs moléculaires, phases supraconductrices ferromagnétiques avec appariement triplet ou phases antiferromagnétiques réentrantes dans les fermions lourds. Enfin, une coexistence de phases à l'échelle atomique a été observée par RMN dans les pnictures.

La supraconductivité peut aussi être en compétition avec un ordre non magnétique, par exemple avec un état d'onde de densité de charge, comme dans les chalcogénures ou les composés moléculaires. De façon générale, la compréhension de ces phénomènes de compétition ou coexistence est une clef pour mieux cerner l'origine de la supraconductivité non conventionnelle.

Même en l'absence de compétition, deux ordres très faiblement couplés peuvent coexister spontanément, comme dans les composés multiferroïques. La mise en évidence de la réalité et l'amplitude du couplage demande la mise en œuvre d'un ensemble de techniques expérimentales (conductivité optique ou électrique, spectroscopies Raman, imagerie magnéto-optique, chaleur spécifique, polarisation) mais demande surtout des mesures couplées comme rayons X et champs intenses, avec comme objectif d'optimiser la synthèse de nouveaux matériaux avec des propriétés encore plus remarquables.

Une nouvelle tendance consiste à utiliser le principe des hétérostructures artificielles ou la construction de matériaux nouveaux à partir de briques fonctionnelles.

E. Magnétisme quantique et Magnétisme frustré

Les corrélations électroniques fortes peuvent conduire à une localisation de Mott. Les degrés de liberté de spin et d'orbite électroniques peuvent générer de nouveaux phénomènes magnétiques. Les fluctuations quantiques et la frustration magnétique sont alors des paramètres pertinents à basse température, notamment à basse dimensionnalité et pour des valeurs faibles du spin. Les deux effets peuvent empêcher une mise en ordre magnétique « classique » et stabiliser des états magnétiques exotiques ou non magnétiques, comme les cristaux de valence ou les liquides de spin. Ces nouveaux états de la matière ne sont encore que partiellement compris. De même, comprendre les interactions nécessaires pour stabiliser ces nouveaux états ainsi que les transitions de phase (quantiques ou à température finie) y menant est particulièrement pertinent expérimentalement. Ceci peut être étudié tant en présence de variables externes (pression, champ magnétique) qu'internes (dopage).

L'une des caractéristiques des systèmes frustrés est la présence de nombreux états de basse énergie en compétition qui enrichissent l'analyse théorique et expérimentale. Outre les fluctuations quantiques, cette grande dégénérescence peut être levée par des irrégularités structurelles (défauts, encombrement stérique), ou des termes dans le Hamiltonien habituellement mineurs (interactions de second ordre, anisotropie) conduisant à une grande variété de phases : ordre magnétique, liquide, verre ou encore glace de spins. Récemment, la synthèse de composés très purs et l'utilisation de techniques expérimentales de pointe pertinentes (RMN, diffusion de neutrons, spectroscopie de muons, champs magnétiques intenses) ont permis des avancées importantes. Parmi les résultats marquants, citons l'observation de propriétés originales de l'état fondamental (chiralité, dégénérescence topologique), d'excitations magnétiques exotiques (fractionnaires comme les spinons, ou bien monopoles magnétiques dans les glaces de spin) ou de réponse en champ non triviale (plateaux d'aimantation). Enfin, l'observation directe des configurations magnétiques de nanostructures en frustration dipolaire premiers voisins permet de remonter aux configurations et de confronter les mesures aux modèles statistiques de la frustration magnétique. Les effets de l'interaction dipolaire longue portée entre nanostructures ont notamment été reportés.

Les perspectives consistent, entre autres, en l'étude de la frustration dans des composés 3D à spin ½, du dopage de phases liquide ou glace de spin (obtention d'une supraconductivité ou d'une transition de Mott inhabituelles), ainsi que du rôle du couplage spin-orbite dans les composés frustrés (relation avec les isolants topologiques), et plus généralement du comportement de ces systèmes en présence de plusieurs degrés de liberté (spin, orbite, charge, réseau).

F. Fluides et solides quantiques

Par essence, le terme de fluides ou de solides quantiques s'applique à pratiquement tous les systèmes à fortes corrélations, des liquides de Fermi ou de Luttinger aux cristaux de Wigner électroniques. Les différentes phases des deux isotopes de l'hélium mais aussi les systèmes d'atomes ultra-froids, ou plus récemment, de polaritons forment des systèmes modèles de bosons ou fermions fortement corrélés.

La cohérence superfluide permet d'accéder à des nouveaux régimes de transitions de phases, le confinement dans des dimensions nanoscopiques ou dans des milieux poreux permet d'étudier l'influence de la dimensionnalité et du désordre sur la superfluidité des deux isotopes. La turbulence superfluide de l'hélium 4 (He4) est au cœur d'une action concertée entre différents laboratoires, et la visualisation directe des vortex est un sujet d'actualité. De nouvelles méthodes de détection basées sur l'interaction entre les quasi-particules et des résonateurs de taille méso ou nanoscopique (diapasons, MEMS et NEMS) donnent un accès privilégié aux propriétés microscopiques du superfluide.

L'hélium 3 (He3) normal reste un modèle irremplaçable de liquide de Fermi en forte interaction. Ses propriétés dynamiques sont aujourd'hui l'objet de calculs microscopiques ab-initio, partant des interactions réalistes entre atomes prenant en compte les corrélations dynamiques. Au niveau expérimental, les études neutroniques aux très basses températures montrent un spectre d'excitations à des énergies intermédiaires (comparables à l'énergie de Fermi) et des vecteurs d'onde atomiques. La transition entre le liquide de Fermi et la phase solide Mott-Hubbard à 2D présente des caractéristiques similaires à celles d'autres systèmes (fermions lourds, supraconducteurs HTc) : on retrouve les concepts de frustration, liquide de spin, séparation spin-charge, ondes de densité de charge, etc.

En phase solide, les efforts se sont concentrés sur la compréhension du phénomène mystérieux initialement associé à une possible supersolidité de l'He4. Il a été montré que les effets observés relèvent de la « superplasticité », associée à la mobilité des dislocations et leur piégeage par des traces d'impuretés d'He3.

Du fait de ses propriétés spécifiques, comme de ses faibles interactions avec les autres atomes, il est en effet un système modèle pour l'étude de phénomènes très généraux : transitions de phases et phénomènes critiques, mouillage et absorption, cavitation, cristallisation, phénomènes prédisruptifs dans les liquides isolants, etc.