Descripteurs dans l'espace réel : une fenêtre sur les propriétés des supraconducteurs à base d'hydrogène

Real-space descriptors : a window into the properties of hydrogen-based superconductors

• Auteur / Autrice : Trinidad Antonia Novoa Aguirre
• Direction : Julia Contreras-García, Yvon Maday
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 16/01/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie théorique (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Carlos Cárdenas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvon Maday, Gilles Frapper, Ion Errea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lilia Boeri, Eva Zurek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconductivité

Structure électronique

Hydrogène

Supraconducteurs à hautes températures

Mots clés libres

Supraconductivité

Structure électronique

Topologie

Superconductivity

Electronic structure

Topology

Résumé

Ces dernières années, les matériaux riches en hydrogène ont démontré leur potentiel en tant que supraconducteurs à haute température, affichant des températures critiques supérieures à 200 K pour divers systèmes. Bien que la théorie microscopique décrivant les propriétés de ces supraconducteurs conventionnels soit bien connue, le calcul de leur température critique est une tâche informatiquement coûteuse, ce qui limite son utilisation dans la prédiction de nouveaux composés prometteurs. De plus, les traits chimiques qui caractérisent les supraconducteurs à haute température à base d'hydrogène ne sont pas encore totalement comprises, ce qui entrave encore plus la conception rationnelle de ces matériaux. Dans cette thèse, nous analysons les propriétés dans l'espace réel des systèmes à base d'hydrogène dans le but de trouver les empreintes de la supraconductivité à haute température. Cela se fait principalement par l'étude de la fonction de localisation électronique (ELF), à la fois dans un modèle unidimensionnel d'une chaîne d'hydrogène et dans des hydrures réels. La valeur de réseau des hydrures, un descripteur topologique de l'ELF dans le réseau cristallin, montre une corrélation avec la température critique, Tc. Une explication est trouvée dans le modèle, où une ELF supraconductrice est définie, montrant une topologie similaire à celle de l'ELF dans l'état normal. Cela justifie l'utilisation des propriétés de l'état normal pour déduire celles de l'état supraconducteur. On fait un usage pratique de la corrélation observée et présente TcESTIME, un programme pour l'estimation rapide de la valeur du réseau, φ, et donc de Tc. Cette corrélation peut être améliorée en prenant en compte d'autres descripteurs. On introduit l'indice de molécularité, φ∗, qui représente le degré de molécularité des hydrogènes dans le système et permet de filtrer les hydrures les plus prometteurs, où les unités moléculaires H2 ne sont pas courantes. L'étude de la dimérisation dans la chaîne unidimensionnelle confirme cette hypothèse, en montrant que la molécularité entrave la supraconductivité en raison de la tendance de l'état normal à devenir un isolant. Ainsi, la combinaison de φ et φ∗ nous donne une bonne description globale des hydrures supraconducteurs, et permet d'anticiper certaines de leurs propriétés.Enfin, les fluctuations spatiales du potentiel résultant des vibrations du réseau sont étudiées. Les résultats préliminaires indiquent quelques tendances dans l'ampleur des fluctuations autour des positions de l'hydrogène, et une analyse topologique approfondie des fonctions spatiales semble prometteuse pour comprendre l'effet de la précompression chimique dans ces systèmes.

In the last years, hydrogen-rich materials have proven their tremendous potential as high-temperature superconductors, showing critical temperatures over 200 K for various systems. Although the microscopic theory describing the properties of these conventional superconductors is well-known, computing their critical temperature is a computationally expensive task, limiting its use in the prediction of new promising compounds. Moreover, the chemical features that characterize high-temperature hydrogen-based superconductors are not yet fully understood, further impeding the rational design of those materials. In this thesis, we analyze the real-space properties of hydrogen-based systems with the aim of finding the fingerprints of high-temperature superconductivity. This is mainly done through the study of the electronlocalization function (ELF), both in a one-dimensional model of a hydrogen-chain and in real hydrides. The networking value of the hydrides, a topological descriptor of the ELF in the crystal lattice, shows to correlate with the critical temperature, Tc. An explanation for this is found in the model, where a superconducting ELF is defined, showing a similar topology to that of the ELF in the normal state. This justifies the use of the normal state properties to infer those of the superconducting state. Wemake practical use of the observed correlation and present TcESTIME, a program for the fast estimation of the networking value, φ, and thus of Tc. That correlation can be improved by considering other descriptors. We introduce the molecularity index, φ∗, that represents the degree of molecularity of the hydrogens in the system, and allows to filter the most promising hydrides, where H2 molecular units are not common. This is further supported by the study of dimerization in the one-dimensional chain, where it is observed that molecularity hinders superconductivity as a result of the tendency of the normal state to become an insulator. In this way, the combination of φ and φ∗ give us a good overall description of the superconducting hydrides, and permit to anticipate some of its properties. Finally, spatial fluctuations of the potential as a result of the lattice vibrations are studied. Preliminary results indicate some trends among the magnitude of the fluctuations around the hydrogen positions, and a thorough topological analysis of the spatial functions shows promise as a means of understanding the effect of chemical precompression in those systems.