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Les oxydes sont faits d’atomes, après tout !


On peut rendre compte des propriétés électroniques de beaucoup de solides avec des théories simplifiées qui traitent les interactions électroniques “en moyenne”. Ceci est possible car les électrons qui peuplent les couches extérieures (“électrons de conduction”) des atomes qui constituent le matériau “s’étalent” sur tout le solide, en évitant ainsi de trop se rapprocher entre eux.

 

Dans certains matériaux (appelés “fortement corrélés) en revanche, comme beaucoup d’oxydes de métaux de transition, cette description échoue parce que les électrons de conduction sont plus concentrés autour des atomes, et donc la répulsion électrostatique qu’ils sentent mutuellement est forcement plus intense.

 

Dans cette situation on peut s’attendre à que les caractéristiques électroniques spécifiques des atomes aient une influence sur les propriétés du matériau.

 

On sait que la répulsion intense, par exemple, dégrade les propriétés métalliques et peut conduire à une complète localisation des électrons de conduction et donc a un comportement isolant (transition de Mott).

 

Les règles de Hund sont des propriétés atomiques de base qui expliquent pourquoi les électrons préfèrent se distribuer sur toutes les orbitales d’une couche donnée, avec leur spin aligné. Ceci est du au fait que la répulsion mutuelle que les électrons sentent sur un atome dépend du fait qu’ils occupent la même orbitale ou une différente, et de l’orientation relative de leur spin.

 

Luca de’ Medici (LPS) avec J. Mravlje et A. Georges (École Polytechnique), ont trouvé (en résolvant numériquement un modèle de basse énergie avec le champ moyen dynamique, Fig. 1) que les règles de Hund influencent fortement les propriétés des matériaux corrélés : elles s’avèrent promouvoir ou supprimer le comportement métallique, selon le nombre d’électrons de conduction, qui est la variable cruciale.

 

Ils ont aussi montré (en utilisant des calculs de structure électronique ab-initio avec le champ moyen dynamique) que la classification qui dérive de cette étude modèle explique les tendances principales de beaucoup d’entre les oxydes de métaux de transition de la partie gauche de la table périodique (Fig. 2), comme la rareté des oxydes métalliques demi-remplis, la mauvaise métallicité des oxydes cubiques de Ruthenium et Cromium, et la température de Néel record mesurée en SrTcO3.

 

Le fait que des propriétés comme les règles de Hund soient tellement influentes sur la métallicité des oxydes est une surprise et cette classification pourra être très utile dans la compréhension des comportements de beaucoup d’autres matériaux fortement corrélés.

 

 

Figure 1 : Poids de quasiparticule Z (une mesure de la force des corrélations dans le système, Z=1 pour un système sans corrélation, Z=0 pour un isolant de Mott) dans le modèle de Hubbard pour 3 bandes dégénérées de demi-largeur D, en fonction de la force des interactions U/D, et pour différents valeurs du couplage de Hund J/U.Les flèches grises indiquent l’effet d’un couplage de Hund croissant. Les trois panneaux montrent les résultats pour 3 remplissages représentatifs des bandes de conduction: un électron ou un trou par atome (gauche, ou le comportement métallique est promu par le couplage de Hund), demi-remplissage (droite, ou l’état isolant de Mott est en revanche favorisé), tous les autres remplissages (panneau central). Les règles de Hund ont un effet double, conflictuel (d’où l’appellatif d’effet à double visage, ou “Janus”): Z est réduit par J, mais la transition de Mott est défavorisée aussi, et on obtient donc un mauvais métal fortement corrélé, pour une grande plage d’intensité des interactions.

 

Figure 2 : Poids de quasiparticule Z (échelle de couleur, les couleurs foncées représentant une faible corrélation, les couleurs claires une forte corrélation et les barres noires signalant l’état isolant de Mott), en fonction de la force des interactions U/D pour tous les remplissages d’un groupe de bandes d, 3 fois dégénéré - typiquement les bandes de conduction d’un oxyde de métal de transition de la partie gauche de la table périodique. Le couplage de Hund ici est J/U=0.15, une valeur typique en ces matériaux.Les composés sont placés en correspondance de leur remplissage et de la force des interactions estimée, et on montre (par calculs ab-initio) comment ils rentrent aisément dans ce schéma modèle.Les composés demi-remplis (n=3) sont principalement des isolants, ceux rempli par un seul électron ou trou (n=1,n=5) sont des bons métaux, les composés du Cromium et du Ruthenium sont typiquement des mauvais métaux fortement corrélés. SrTcO3 (TNeel ≈1000K) se place très près de la transition de Mott, qui est là ou on s’attend à trouver les plus hautes températures de Néel.

 

Références :

 

L. de’ Medici, J. Mravlje and A. Georges, Janus-faced influence of Hund’s rule coupling in strongly correlated materials, Physical Review Letters 107, 256401(2011)

 

Contact :

Luca de’ Medici : (demedici@lps.u-psud.fr)