Ρhysique des nickelates supracοnductrices a partir de calculs de premiers principes

Physics of superconducting nickel oxides from first principles calculations

• Auteur / Autrice : Alvaro Adrian Carrasco Alvarez
• Direction : Wilfrid Prellier, Manuel Bibes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Janod
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Javier Junquera, Philippe Ghosez, Eva Benckiser, Julien Varignon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Javier Junquera, Philippe Ghosez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul ab initio

Oxydes de nickel

Supraconductivité

Mots clés libres

Nickelates

Premiers principes

Superconductivity

First principles

Résumé

La compréhension de l’origine de la supraconductivité haute température est entravée parl’absence de matériaux analogues aux cuprates. Bien que proposée depuis longtemps dans lesoxydes de nickel de formule générale Rn+1NinO2n+2, matériaux isoélectronique aux cuprates, lasupraconductivité n’a été observée qu’en 2019 mais les mécanismes mis en jeu reste à déterminer.Dans cette thèse, nous présentons une étude des oxydes de nickel supraconducteurs à partirde simulations de premiers principes basées sur la théorie fonctionnelle de la densité. Nousrévélons que les composés RNiO2 à couche infinie non dopés présentent une phase métalliqueantiferromagnétique à basse température. Un fort couplage de Hund qui domine le champcristallin explique la coexistence entre l’antiferromagnétisme et le comportement métallique. En étudiant le diagramme de phase en fonction de n, nous identifions un ordre de charge entredes Ni1+ et Ni2+ pour n = 2. Il est la conséquence d’une instabilité électronique du degréd’oxydation 1.5+ des Ni qui préfère dismuter vers les degrés 1+ et 2+ qui sont plus stables,produisant une distorsion Boc des complexes NiO4 pour accomoder les différents charges. Àpartir de ce point, le dopage en électron supprime progressivement l’ordre de charge et il disparaità proximité de la région supraconductrice observée expérimentalent. Nous construisons alorsun modèle supraconducteur basé sur les modes de phonons Boc reproduisant quantitativementle dôme de température critique supraconductrice en fonction du dopage. Nous discutons enoutre de l’importance de la structure cristalline lors de la conception de nouveaux composéssupraconducteurs et de la relation entre ces supraconducteurs à base de nickel et d’autrescomposés supraconducteurs. Enfin, nous étendons le modèle à d’autres composés tels que lesruthénates, expliquant leurs propriétés supraconductrices en tant que matériaux massifs etnanofilms.

The understanding of high temperature superconductors based on Cu oxides could beimproved by finding possible oxide analogues with different transition metals. In that regardNi oxide superconductors were proposed to be promising candidates to better understand theorigin of the high temperature superconductivity in the cuprates. In the following manuscript,we present a first-principles study of the physics of the superconducting nickel oxides discoveredin 2019 based on Density Functional Theory. From our study we reveal that the undopedinfinite layer RNiO2 compounds present an antiferromagnetic metallic phase at low temperature.A strong Hund’s coupling that dominates over the crystal field explains the coexistencebetween antiferromagnetism and metallic behavior. Regarding the doping phase diagram, wepropose understanding the normal state of these superconducting compounds, starting froman insulating nickel oxide phase R2NiO4 instead of the metallic RNiO2 phase. This allows usto find a charge-ordering instability in the doping phase diagram when the Ni cations presenta 1.5+ oxidation state. We explore this charge ordering and show that it is a consequence ofan electronic instability that produces a double local environment of Ni+ and Ni2+ cations,which is accompanied by a breathing distortion of the NiO4 complexes Boc. From this point, wefurther study this charge ordering instability revealing that decreasing the Ni oxidation statequenches the instability and it disappears in the vicinity of the reported superconducting region.We then build a superconducting model based on the Boc phonon modes which can reproducequantitatively well the superconducting critical temperature dome accounting for the metallicbut non-superconducting region in the doping phase diagram. Furthermore, we discuss theimportance of the crystal structure when designing new superconducting compounds and howthese nickel-based superconductors relate to other superconducting compounds. Finally, weextend the model to other compounds such as the ruthenates, explaining their superconductingproperties as bulk and nanofilm materials.