Soutenance de doctorat d'Azin Kazemi Moridani

Transport, Mott Transition and Magnetism in Strongly Correlated Systems

Les fortes corrélations électroniques donnent lieu à des états électroniques et magnétiques qui ne peuvent être compris dans une description en électrons indépendants. Cette thèse étudie comment la compétition entre l’énergie cinétique, la répulsion coulombienne locale, le couplage de Hund et la frustration magnétique façonne les matériaux corrélés et les systèmes modèles. Ce travail combine la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la théorie du champ moyen dynamique (DMFT) et l’approximation ghost-Gutzwiller afin d’étudier des phénomènes induits par les corrélations, allant d’oxydes réalistes de métaux de transition à des modèles de Hubbard frustrés.

La première partie étudie la métallisation induite par la pression dans la ferrite de strontium lamellaire Sr2FeO4, à l’aide de calculs DFT+DMFT one-shot. À pression ambiante, des paramètres d’interaction réalistes reproduisent l’état isolant, avec une orbitale dxy remplie, des orbitales eg vides et des orbitales dyz/zx localisées au sens de Mott. La pression augmente la largeur de bande et induit la transition isolant-métal observée expérimentalement. Le métal à haute pression est un métal de Hund à trois orbitales, dont la structure électronique corrélée et la surface de Fermi ressemblent à celles de Sr2RuO4. Ainsi, Sr2FeO4 sous pression pourrait constituer un analogue plus fortement corrélé du ruthénate.

La deuxième partie étudie le diagramme de phase magnétique du modèle de Hubbard sur réseau triangulaire anisotrope à demi-remplissage, à l’aide de l’approximation de Gutzwiller et de son extension ghost. Une formulation dans un repère de spin tournant, combinée à une exploration dense du vecteur d’onde d’ordre, permet d’identifier directement les états magnétiques fondamentaux par minimisation de l’énergie totale. La théorie de Gutzwiller standard reproduit la structure qualitative du diagramme de phase obtenue avec des méthodes plus coûteuses, mais surestime la stabilité de l’ordre magnétique parce qu’elle néglige les fluctuations dynamiques. L’introduction d’un petit nombre d’orbitales fantômes améliore substantiellement l’accord avec la théorie du champ moyen dynamique. Le diagramme de phase obtenu contient des phases paramagnétiques, antiferromagnétiques carrées, spirales et d’ondes de densité de spin incommensurables. Bien qu’un état antiferromagnétique quasi-unidimensionnel apparaisse comme l’instabilité magnétique dominante dans certains régimes, il ne se stabilise pas comme état fondamental.

La dernière partie étudie le cuprate La2CuO4 fortement dopé en trous à l’aide de DFT+DMFT avec un solveur d’impureté fondé sur le groupe de renormalisation numérique. Le dopage est introduit par le nombre total d’électrons dans le cadre d’un traitement de fond de type cristal virtuel. Dans le régime surdopé, les calculs donnent un état de liquide de Fermi cohérent, avec une résistivité quadratique à basse température et un coefficient de chaleur spécifique électronique accru. Les propriétés de transport et thermodynamiques calculées montrent que les corrélations électroniques locales restent importantes même après l’affaiblissement du pseudogap et de la forte différenciation dans l’espace des impulsions caractéristique des dopages plus faibles.

Dans leur ensemble, ces études montrent comment les méthodes modernes de physique à N corps peuvent relier les structures électroniques propres aux matériaux à des descriptions par modèles minimaux. Elles mettent en évidence différentes manifestations de la physique des corrélations — localisation de Mott, comportement de métal de Hund, magnétisme induit par la frustration et transport de liquide de Fermi renormalisé — et montrent comment la pression, le dopage et la géométrie du réseau permettent de passer d’un régime à l’autre.

Mots-clés : Électrons fortement corrélés; théorie de la fonctionnelle de la densité; théorie du champ moyen dynamique; approximation ghost-Gutzwiller; transition de Mott; métaux de Hund; magnétisme frustré; modèle de Hubbard; transport électronique; oxydes de métaux de transition.