Théorie hors d'équilibre de la commutation résistive dans les matériaux quantiques fortement corrélés

Non-equilibrium theory of resistive switching in strongly correlated quantum materials

• Auteur / Autrice : Manuel I. Díaz
• Direction : Denis Bernard, Camille Aron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique théorique
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• 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 de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Florens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Bernard, Camille Aron, Serge Florens, Enrico Arrigoni, Olesia Dmytruk, Marcelo Rozenberg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Enrico Arrigoni
• DOI : 10.70675/4e3b0671z4ba6z4722za85dz36dadb846251

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique mathématique

Mots clés libres

Hors d'equilibre

Commutation résistive

Mott

Hubbard

Plusieurs corps

Transition de phase

Non-equilibrium

Resistive switching

Mott

Hubbard

Many-body

Phase transitions

Résumé

Motivée par les commutations résistives dans les oxydes de métaux de transition (TMOs) induites par une différence de potentiel, cette thèse étudie la dynamique loin de l'équilibre d'un modèle d’électrons fortement corrélé en présence d’un champ électrique et présentant une transition isolant-métal de premier ordre à l'équilibre, à savoir le modèle dimer-Hubbard. Une mise en oeuvre hors équilibre de la théorie du champ moyen dynamique est utilisée pour accéder aux propriétés spectrales et de transport en régime permanent. Il est démontré que le champ électrique peut piloter à la fois les transitions métal-isolant et isolant-métal. Bien qu'elles procèdent de mécanismes bien distincts, en particulier le simple chauffage du métal et des effets hors-équilibre dans la bande interdite d’énergie, il est démontré que ces deux transitions horséquilibre sont unifiées dans un cadre unique, une fois que les excitations sont prises en compte en termes de température effective. Cette avancée conceptuelle réconcilie les deux côtés d’un débat de longue date sur les origines de la commutation résistive électrique dans les TMOs. Ces résultats sont ensuite exploités pour formuler une description à l'échelle mésoscopique, incorporant des éléments des modèles de réseaux de résistances et une correspondance entre la physique de Mott-Hubbard et celle d'Ising. Cette théorie des champs effective hors d'équilibre est destinée à combler le fossé entre la description microscopique en termes d'un modèle quantique minimal, et les observations phénoménologiques à l'échelle mésoscopique.

Motivated by the resistive switchings in transition-metal oxides (TMOs) induced by a voltage bias, this Thesis studies the far-from-equilibrium dynamics of an electric-field-driven stronglycorrelated model featuring a first-order insulator-to-metal transition at equilibrium, namely the dimer-Hubbard model. A non-equilibrium implementation of the dynamical mean-field theory is used to access the steady-state spectral and transport properties. It is shown that the electric field can drive both metal-to-insulator and insulator-to-metal transitions. While they proceed by quite distinct mechanisms, specifically simple heating of the metal vs. non-equilibrium effects in the correlated charge gap, both these non-equilibrium transitions are shown to be unified in a single framework once the excitations are accounted for in terms of an effective temperature. This conceptual advance brings together the two sides of the long-lasting debate over the origins of the electrically-driven resistive switching in TMOs. These findings are then leveraged to formulate a description at the mesoscopic scale, incorporating elements from resistor network models and a mapping between Mott-Hubbard and Ising physics. This non-equilibrium effective field theory is intended to bridge the gap between the microscopic description in terms of a minimal quantum model, and the phenomenological observations at a mesoscopic scale.