Instabilité de charge, transition de Mott et transport dans les métaux de Hund

Charge instabilities, Mott transition and transport in Hund metals

• Auteur / Autrice : Maria Chatzieleftheriou
• Direction : Luca De' Medici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/07/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....) - Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213) / LPEM
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Silke Biermann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luca De' Medici, Silke Biermann, Philipp Werner, Markus Aichhorn, Catherine Pépin, Massimo Capone, Giorgio Sangiovanni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philipp Werner

Mots clés

Mots clés libres

Systèmes fortement corrélés

Métaux de Hund

Transition Mott

Séparation de phase

Transport

Supraconductivité

Strongly correlated systems

Hund metals

Mott transition

Phase separation

Transport

Superconductivity

Résumé

Les systèmes d'électrons fortement corrélés représentent l'un des domaines de recherche les plus actifs en physique de la matière condensée, présentant des phénomènes intrigants tels que la supraconductivité non conventionnelle ou untransport anormal. Dans cette thèse, nous analysons théoriquement les métaux à plusieurs orbitales de Hund, en utilisant le champ moyen des Spins Esclaves (SSMF) et la Théorie du Champ Moyen Dynamique (DMFT).Nous étudions l'émergence d'une instabilité de charge vers une séparation de phase/onde de densité de charge, signalée par une compressibilité électronique divergente, dans les isolants de Mott à plusieurs orbitales dopés, en présence d’unéchange intra-atomique de ''Hund'' fini. L'effet augmente quand la symétrie locale de spin ou orbitale est rompue, par exemple par un champ cristallin, et est compris en termes énergétiques. Les résultats sont en accord avec des études réalistes des supraconducteurs à base de fer.Nous connectons également le premier ordre de la transition métal-isolant de Mott des métaux de Hund au démi-remplissage à la coexistence de deux solutions à dopage fini, donnant lieu à la zone d'instabilité de charge qui, à températurenulle, se termine en un point critique quantique (QCP). En utilisant la théorie des perturbations, nous décrivons analytiquement cette physique dans la théorie des transitions de phase de Landau. Nous isolons une petite échelle d'énergie (ici le couplage de Hund) levant la dégénérescence de l’état fondamental atomique comme la cause ultime de cette phénoménologie.Nous adaptons enfin l'algorithme de Diagonalisation Exacte pour la solution des équations de la DMFT au calcul des propriétés de transport, avec une précision comparable dans certains cas au solveur d’impureté à base de Groupe deRenormalisation Numérique, plus précis mais numériquement plus lourd. Nous appliquons ensuite notre méthode sur différents systèmes multi-orbitales et étudions leur résistivité.

Strongly correlated electron systems represent one of the most active research fields in condensed matter physics, exhibiting intriguing phenomena like unconventional superconductivity and anomalous transport. In this thesis we theoretically analyze the multi-orbital Hund metals, using Slave Spins Mean-Field (SSMF) and Dynamical Mean-Field Theory (DMFT).We study the emergence of a charge instability towards phase separation/charge-density wave, signalled by a diverging electronic compressibility, in doped multi-orbital Mott insulators for a finite ''Hund's'' intra-atomic exchange coupling. The effect is enhanced once the local spin or orbital symmetry is broken by e.g. a crystal field splitting and is understood in terms of energetics. The results are in agreement with realistic studies of iron-based superconductors.We also connect the first order of the Mott metal-insulator transition found in the Hund metals at half-filling to the coexistence of two metallic solutions away from half-filling, giving rise to the charge instability zone which at zero temperature ends in a quantum critical point (QCP). Using perturbation theory we analytically describe this physics within Landau's theory of phase transitions. We single out a small energy scale (here the Hund’s coupling) splitting a degenerate atomic ground state as the ultimate cause of this phenomenology.We finally adapt the Exact Diagonalization algorithm for solving the DMFT equations to the calculation of transport properties, to an accuracy comparable in some cases to the more accurate but numerically heavier Numerical Renormalization Group solver. We then apply our method on different multi-orbital systems and study their resistivity.