Caractérisation de la symétrisation du proton dans le sulfure d'hydrogène supraconducteur

Characterization of proton symmetrization in superconducting hydrogen sulfide

• Auteur / Autrice : Romain Taureau
• Direction : Michele Casula
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Julia Contreras-García
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabio Finocchi, Giorgia Fugallo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Grégory Geneste, Xavier Rocquefelte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Monte-Carlo, Méthode de

Sulfure d'hydrogène

Matière condensée

Supraconducteurs

Mots clés libres

Supraconducteurs

Matière condensée

DFT

Monte-Carlo quantique

Superconductors

Condensed matter

DFT

Quantum Monte Carlo

Résumé

Dans ce travail, nous avons entrepris d'étudier l'aspect structurel de l'H3S, dont la supraconductivité à 203 K sous 150 GPa a été démontrée par Drozdov et al. en 2015. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la symétrisation de l'hydrogène le long de l'axe S-S en fonction de la pression, ce qui correspond à la transition de phase R3m -> Im-3m et qui serait à l'origine du comportement de la Tc rapporté par Drozdov et al. selon la littérature (Bernstein 2015, Errea 2015, Papaconstantopoulos 2015,Einaga 2016, Errea 2016). Pour cela, nous avons montré qu'il était nécessaire de se placer dans un cadre quantique complet, tant pour la description de la partie électronique que celle de la partie ionique, comme le suggérait de précédents travaux (Bianco 2018). Ainsi, pour tenir compte des corrélations électroniques de manière précise, nos calculs ont été réalisés en Monte Carlo quantique (QMC) et comparés aux résultats de calculs DFT-BLYP. La partie nucléaire quantique, fortement anharmonique, a été quant à elle traitée en dynamique moléculaire par intégrales de chemin (PIMD). Cette approche nous a permis d'éclairer la nature de la transition en montrant que la symétrisation de l'hydrogène se produisait autour de 150 GPa, pression du pic observée dans les expériences par Drozdov et al. Nous avons également constaté que la DFT-BLYP était suffisante pour décrire l'H3S et que les divergences observées entre les précédents calculs théoriques et les données expérimentales provenaient en réalité de la description quantique des noyaux, à l'inverse de ce que suggéraient d'autres études (Bianco 2018).

In this work, we set out to study the structural aspect of l'H3S, whose superconductivity at 203 K under 150 GPa was demonstrated by Drozdov et al. in 2015. We were particularly interested in the hydrogen symmetrization along the S-S axis under pressure, which corresponds to the R3m -> Im-3m phase transition and would be the origin of the Tc behavior reported by Drozdov et al. according to literature (Bernstein 2015, Errea 2015, Papaconstantopoulos 2015,Einaga 2016, Errea 2016). To do so, we showed that it was necessary to use a complete quantum framework, both for the description of the electronic and ionic part, as suggested by previous works (Bianco_2018). Therefore, to take into account the electronic correlation precisely, our calculations were carried out with quantum Monte Carlo (QMC) and compared to DFT-BLYP results. The quantum nuclear part, highly anharmonic, was treated by path integral molecular dynamics (PIMD). This approach allowed us to shed light on the nature of the transition by showing that hydrogen symmetrization occurred around 150 GPa, pressure of the peak observed in experiments by Drozdov et al.. We also found that DFT-BLYP was sufficient to describe H3S and that the discrepancy observed between previous theoretical calculations and experimental data actually came from the quantum description of nuclei, contrary to what was suggested by other studies (Bianco 2018).