Couplage Spin-Orbite et Interaction de Coulomb dans l'Iridate de Strontium Sr2IrO4

Interplay of Sprint-Orbit Coupling and electronic Coulomb Intercations in Stronium Iridate Sr2IrOa

• Auteur / Autrice : Cyril Martins
• Direction : Silke Biermann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux et milieux denses
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés libres

Corrélations électroniques

Couplage spin-orbite

Iridate de strontium

Isolant de Mott

Théorie du champ moyen dynamique (DMFT)

Calcul de structure électronique

Résumé

Cette thèse s'intéresse à l'interaction entre le couplage spin-orbite et les corrélations électroniques dans la matière condensée. En effet, de plus en plus de matériaux - tels que les isolants topologiques ou les oxydes de métaux de transition 5d à base d'iridium - présentent des propriétés pour lesquels l'interaction spin-orbite joue un rôle essentiel. Parmi eux, l'iridate de strontium (Sr2IrO4) a récemment été décrit comme un ''isolant de Mott régi par les effets spin-orbite'': dans cette image, l'interaction de Coulomb entre les électrons et le couplage spin-orbite se combinent pour rendre le composé isolant. Nous avons étudié la phase isolante paramagnétique de ce matériau avec l'approche LDA+DMFT, une méthode qui combine la théorie de la fonctionnelle de la densité dans l'approximation de la densité locale (LDA) avec la théorie du champ moyen dynamique (DMFT). Sr2IrO4 s'est avéré être un isolant de Mott pour une valeur raisonnable des corrélations électroniques une fois que le couplage spin-orbite et les distorsions structurales du cristal ont été pris en compte. En outre, nos résultats mettent en évidence les rôles respectifs joués par ces deux éléments dans l'obtention d'un état isolant et montrent que seule leur action conjointe permet d'ouvrir un gap de Mott dans un tel composé. Afin de réaliser cette étude, le couplage spin-orbite a dû être inclus au sein du formalisme LDA+DMFT. L'intérêt d'un tel développement technique dépasse le cas de Sr2IrO4, cette implémentation, dite ''LDA+SO+DMFT'', pouvant être aussi utilisée pour prendre en compte les corrélations électroniques dans d'autres oxydes de métaux de transition 5d ou même au sein des isolants topologiques

In this thesis, we were interested in the interplay between the spin-orbit coupling and electronic correlations in condensed matter physics. The spin-orbit interaction has indeed been found to play a significant role in the properties of a growing variety of materials, such as the topological band insulators or the iridium-based 5d-transition metal oxides. Particularly, strontium iridate (Sr2IrO4) was recently described as a ''spin-orbit driven Mott insulator'': according to this picture, the cooperative interaction between electronic Coulomb interactions and the spin-orbit coupling can explain the insulating state of the compound. We have studied the paramagnetic insulating phase of this material within LDA+DMFT, a method which combines the density functional theory in the local density approximation (LDA) with dynamical mean-field theory (DMFT). Sr2IrO4 was found to be a Mott insulator for a reasonable value of the electronic correlations once both the spin-orbit coupling and the lattice distortions were taken into account. Moreover, our results highlight the respective roles played by theses two features to reach the Mott insulating state and emphasize that only their acting together may open the Mott gap in such a compound. In order to perform this study, the spin-orbit interaction was included in the LDA+DMFT formalism. The interest of such a technical development goes beyond the present case of Sr2IrO4 since this ''LDA+SO+DMFT implementation'' could be also used to take into account the electronic correlations in the description of other 5d-transition metal oxides or even topological band insulators