Supraconductivité non conventionnelle dans des systèmes à bandes plates bidimensionnels

Non conventional superconductivity in two-dimensional flat band systems

• Auteur / Autrice : Maxime Thumin
• Direction : Georges Bouzerar
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MCBT

Mots clés

Mots clés libres

Corrélations électroniques

Bandes plates

Supraconductivité

Désordre

Nanostructuration

Topologie

Electronic correlation

Flats bands

Superconductivity

Disorder

Nanostructuring

Topology

Résumé

Depuis une décennie la physique des systèmes à bandes plates passionne la communauté de la physique de la matière condensée . Celles-ci sont à l'origine d'une pléthore de phénomènes exotiques, tels que l'effet Hall quantique fractionnaire, le magnétisme, les phases topologiques, la cristallisation de Wigner et la supraconductivité non conventionnelle. Le but de cette thèse théorique est l'étude de la supraconductivité dans les systèmes bidimensionnels possédant des bandes plates. Jusqu'à présent, peu d'études ont été consacrées à cette thématique récente. Ceci laisse de l'espace à de nombreuses questions et pistes à explorer afin de mieux comprendre cette physique exotique. Cette thèse comporte trois grands volets. Tout d'abord, en s'appuyant sur un Hamiltonien minimal, on étudiera les effets combinés du désordre et des interactions électron-électron, afin de comprendre si les phases supraconductrices sont suffisamment robustes et si la compétition peut éventuellement conduire à amplifier la température critique (Tc). Le second volet, est quant à lui consacré à l'influence de la nano-structuration et de la complexification du système. Pour cela nous prendrons en compte la structure de bande de façon réaliste (approche multi-orbitales) en s'appuyant sur des calculs ab initio (DFT) existants ou effectués avec des collaborateurs. Dans le troisième volet nous étudierons en détail, l'influence et le rôle de la dégénérescence des bandes plates et les effets de proximité d'autres bandes plates. Tout au long de ce travail de thèse nous analyserons systématiquement la topologie des états de bandes plates et en particulier la métrique quantique de ces états. La métrique quantique joue un rôle essentiel et une meilleure compréhension de celle-ci pourrait conduire à élaborer une stratégie qui permettrait de contrôler, booster la température critique dans les matériaux.

For a decade the physics in flat-band systems has fascinated the condensed matter physics community. Flat bands are at the origin of a plethora of exotic phenomena including fractional quantum Hall effect, magnetism, topological phases, Wigner cristallization and unconventional superconductivity. The aim of this theoretical thesis is the study of superconductivity in two-dimensional Flat band systems. As this is a new topic, few studies have been devoted to it so far, leaving space for many questions and avenues to explore this exotic physics . The study has three main parts. First, by considering a minimal Hamiltonian model, we will study the combined effects of disorder and electron-electron interactions, in order to understand if the superconducting phases are sufficiently robust and if the competition can eventually lead to amplification of the Tc. The second part is devoted to the influence of the nano-structuring or the complexification of the system. For this, we will describe the material band structure in a more realistic manner (multi-orbital approach) extracted from ab initio calculations (DFT). In the third part, we will study in detail the influence and role played by the degeneracy of the flat bands and address as well the effects of the proximity of other flat bands. Throughout this thesis work we will systematically study the topology of flat band states and in particular the quantum metric of these states, which plays a crucial role in FB superconductivity. A better understanding of this could pave a way that would make it possible to control Tc and therefore to propose new strategies to boost the critical temperatures in real materials.