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Les conducteurs unidimensionnels, une visite de la physique de la matière condensée

Les conducteurs unidimensionnels, une visite de la physique de la matière condensée. Denis Jérome Laboratoire de Physique des Solides Université Paris-Sud, Orsay, France. Du mercure aux organiques. Kamerling-Onnes. Bednorz,Mueller. Genève, Sherbrooke,Orsay. 1986. 1911. 2001.

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Les conducteurs unidimensionnels, une visite de la physique de la matière condensée

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Presentation Transcript

  1. Les conducteurs unidimensionnels, une visite de la physique de la matière condensée Denis Jérome Laboratoire de Physique des Solides Université Paris-Sud, Orsay, France

  2. Du mercure aux organiques Kamerling-Onnes Bednorz,Mueller Genève, Sherbrooke,Orsay 1986 1911 2001

  3. Evolution des Tc

  4. k 3D k k k k k// Surfaces de Fermi 3D et 1D Discontinuité de la distribution éléctronique n(k) Hg . . +kF -kF 1D TMTSF2PF6 Q = 2kF

  5. Jacques Friedel 2001

  6. Les A15, des unidimensionnels 3D V3Si, Nb3Sn Weger, Rev Mod, Phys, 1964

  7. Conference on high pressure and low temperature physicsCleveland 1977

  8. Les précurseurs

  9. A15 Tous les électrons proches de Ef sont concernés par la supraconduction >Fort couplage >Tc est optimisée dans les A15 Labbé,Friedel,Barisic, 1966-67

  10. Superconductivity, B.C.S,1957 and Little,1964 . . BCS theory, 1957 l is mass independent Isotopic effect in the BCS theory Molecule of Little, 1964 Lattice polarization Electronic polarization !! Problems !! 1-D Conductor No long range order and Coexistence of BCS and Peierls correlations

  11. 1969

  12. La transition de Peierls, 1950 Par ouverture d’un gap au niveau de Fermi à T<Tp Gain d'énergie électronique > à la perte d'énergie élastique

  13. KCP: le premier unidimensionnel, Peierls et Kohn Diffraction diffuse des rayons X Le sel de Krogmann KCP K2Pt(CN)4Br 0.33 H20 Remplissage incommensurable Comes, Renker,Shirane, 1972 H. Schulz 1980 T>Tcm T<Tcm

  14. F.Wudl, D.Cowan, A.Garito and A.Heeger 1973 Bechgaard 1979

  15. Conducteur organique:TTF-TCNQ Z.Z.Wang, J.C.Girard,C.Pasquier., D.Jérome,K.Bechgaard Phys.Rev.B,67, R121401 (2003) 2 types de chaînes conductrices, elec et trous

  16. TTF-TCNQ: 2-chain charge - transfer compound TCNQ TTF An attempt towards organic superconductivity,1973 F.Denoyer et al PRL,35,475,1975 r=0. 54 (300K) 2kF Peierls distortion, Tp=54K Soft phonon mode-Kohn anomaly Heeger ’s group, Solid State Comm,1973

  17. Walter Kohn 2003

  18. Bernd Matthias Conference de Cleveland, 1976

  19. Commensurabilité sous pression La transition de Peierls ne peut être supprimée par la pression Rôle stabilisateur des intéractions Coulombiennes interchaines

  20. TTF-TCNQ: Froehlich fluctuati ng conduction Loss of in the s x 3 commensurability // commensurability =3b l b domain : 14-19 kbar Commensurability pinning Preuve de l’existence de fluctuations de Frohlich D.J and H.J.Schulz, Adv in Physics , 31,299,1982

  21. Imaging TTF-TCNQ Molecular resolution of TTF-TCNQ ab plane at T=63K TTF TCNQ From Z.Z.Wang ISCOM ’01 and PRB 67,121401,2003 CDW on TTF-TCNQ ab plane at T=35.6K Peierls CDW ordering lb=3.39b, la=4a

  22. TTF-TCNQ : STM view b* a* Zhao Zhou Wang et al View along the c-axix T=63K Peierls transition at 53K on TCNQ chains Fourier transform at T=49K lb=3.6b, la=2a on TCNQ chains Full ordering at 38K 2kF and 4a T=33K

  23. TMTSF-DMTCNQ, un composé charnière, 1979 r = 0.5 détérminé par diffusion X

  24. Electrocrystallization/Bechgaard electrolyte Bu N PF + – 4 6 – e – TMTSF TMTSF •+ -e - 2(TMTSF) + PF --------> [(TMTSF) PF ] 6 2 6 at anode Non aquous solvent (pure):THF K.Bechgaard, JACS. 1981,103,2440 film

  25. b c 1/2 hole per organic cation molecule -->One dimensional conductor with finite transverse coupling -->Quarter filled band The Bechgaard salt: TM2X: TMTSF (TMTSF)2X, X=PF6-,…. ClO4-,. TMTTF : atoms S (Fabre) TMTSF : atoms Se (Bechgaard) 1979 a c

  26. 1D Fermi surface Sructure triclinique avec dimerisation suivant a Q = (0.5a*)2kF, 0.25 b*

  27. La supraconduction organique Garoche, Brusetti, Jérome, Bechgaard, 1982 D.J, M,Ribault,J.Mazaud and K.Bechgaard, 1980

  28. T métal Antiferro Itinérant SDW SC P Coexistence isolant/supra La supraconductivité organique Articles de revues récents sur les 1D ’s : C.Bourbonnais et D.Jérome, Adv in Synth Metals, p206-261, Elsevier, 1999 D. Jérome , Chemical Reviews, vol 104, p 5565 (2004)

  29. Magnetic fields: Quantum Hall Effect in a bulk material Rxx 0 . 4 1 0 K longitudinal resistance :rxx0 P=8.5 kbar 1 0 5 3 4 2 5 -2 0 Rxy N=0 0 . 3 7 0 K 6 0 Hall resistance quantized : rxy=1/n (h/2e2) In high fields : N=0 phase : SDW , rxy=unknown, rxx 4 0 2 0 0 4 6 8 1 0 1 2 J.R.Cooper et al PRL,63,1984,1989 (T.Vuletic,thesis,2000)) H ( T )

  30. Le diagramme générique TM2X D.J The physics of organic superconductors Science 252, 1509, 1991

  31. Spin-charge separation in Fabre-Bechgaard salts Transport and susceptibility in TM2X r(Wcm) Tr Tr TSC r degrees of freedom decoupled from s TSDW C.Bourbonnais Cargese School

  32. Irsee 1991 Gordon conference

  33. Excitations électroniques 3D/1D 3D 1D Collective modes

  34. D(w) a w k w 1D Fermi liquid Nesting : w(k) w(k) k EF 1D Physics, power laws BCS Mixture Peierls => c(T)=ln EF/T => finite Tc !! Luttinger liquids Pseudo gap at Fermi level Decoupled collective modes, spin and charge => No phase transition in the 1D interacting gas

  35. Commensurate 1D conductor, quarter filled band Kr critic More repulsive interactions needed for a Mott insulator in 1/4 filled band Commensurability 4 Quarter-filled 1D band Interaction g3= Umklapp interaction (commensurability, Dq and lattice) => Mott localisation Renormalization flow (case of TM2X) T.Giamarchi Quantum Physics in One Dimension T.G Oxford Press (2004)

  36. Insulator « Metal 2D » De l’isolant de Mott au conducteur 2D/3D Ligne de déconfinement 1D « Liquide de Fermi » à basse T

  37. La supraconductivité organique 1D (TM)2X @ 9.5kbar @ 1 bar Tc 0.9 K 1.2 K 0.2 T 0.16 T 7 T ? 4-5 T 5 T ? 5 T? 1.8 T 2.2 T Supra p ? NMR Knight shift Triplet SC NMR 1/T1 T3 law? Specific heat (Cv) nodeless Supra p, d ou (d puis p)? La controverse fait rage!! Thermal conductivity nodeless Tunnelling ? ? nodes Non magnetic impurities Non conventionnelle

  38. k-(BEDT-TTF)2X Temperature 40 MI Metal 22 AF 13 SC SC D8-Br H8-Cl H8-Br Pressure I3 Cu(NCS)2 Quelques supras d’actualité 100 Metal AF SC SC Hole doping Electron doping

  39. Organique ou non ?

  40. Ce qu’en pense Anderson

  41. Les prochains défis Chimie Des supras organiques autres que les fulvalénes? Des conducteurs 1/4 pleins (supras?) Des conducteurs 1D non commensurables (conducteur de Luttinger) Physique Le couplage, singulet ou triplet Le mécanisme (rôle des fluctuations magnétiques) La phase métallique de basse température, pseudogap et fluctuations La coexistence SDW/Supra, parois conductrices de solitons? Le TMTSF-DMTCNQ?

  42. La supraconductivité organique Introduction d’impuretés non magnétiques N.Joo et al, EPJB (2004) N.Joo et al, soumis a EPL

  43. Composé organique 2D k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br Plan conducteur Régions isolantes Plan conducteur

  44. k-(BEDT-TTF)2X Temperature 40 MI Metal 22 AF 13 SC SC D8-Br H8-Cl H8-Br Pressure I3 Cu(NCS)2 Phase k-(BEDT-TTF)2X phase  1/2 remplissage Isolant de Mott 2 thèses: Lefebvre, Limelette ‘Haut-Tc’ : Tc,max=13 K Réseau triangulaire => frustration magnétique

  45. k-(BEDT-TTF)2X Br NCS Tc 11.6 K 9.4 K Temperature 40 10 T 5.2 T MI Metal 22 40 T ? 35 T AF 13 21.3 T 17.3 T SC NMR Knight shift Singlet SC SC D8-Br H8-Cl H8-Br Pressure I3 NMR 1/T1 T3 law Cu(NCS)2 Specific heat (Cv/T) T2 law/ Exponential Exponential Thermal conductivity Power law Tunnelling nodes Penetration depth Power law/ Exponential Power law / Exponential La supraconductivité organique k-(BEDT-TTF)2X Hc2//>HP Supra d Certains groupes voient s

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