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Les propriétés électroniques et structurales des familles de composés organiques (TMTSF)2X, (TMTTF)2X, (TMDTDSF)2X, TTF[Ni(dmit)2]2 etc., sont en général fortement influencées par leur extrême anisotropie (structure de bande, structure cristalline). Les propriétés physiques observées en fonction de la température, de la pression hydrostatique, ou du champ magnétique contiennent la signature des corrélations de nature purement unidimensionnelles ainsi que des changements de dimensionalité ("crossover") à l'approche du comportement critique de nature tridimensionnelle. Les transitions peuvent être d'origine antiferromagnétique, structurale voire même supraconductrice. La richesse et la complexité des propriétés observées dans ces matériaux ont permis de démontrer l'existence de plusieurs échelles d'énergie et l'applicabilité de la technique du groupe de renormalisation pour la physique à N-corps unidimensionnelle. Elles ont également fortement encouragé la recherche de nouveaux mécanismes microscopiques afin de mieux décrire la phénoménologie peu commune des transitions de phase de ces solides quasi-unidimensionnels.
La série de composés issus de molécules organiques contenant des atomes de soufre (BEDT-TTF)2X (X=I3, Cu(NCS)2, etc.) est également très intéressante. D'une part, l'expérience montre qu'ils ont des propriétés électroniques isotropes dans deux directions de l'espace, leur conférant cette fois un caractère quasi-bidimensionnel. Ils s'avèrent être moins instables magnétiquement mais d'autre part, ils deviennent supraconducteurs au-dessous de températures avoisinant les 10K avec un effet isotopique moléculaire géant démontrant que les phonons intramoléculaires seraient impliqués dans le mécanisme de supraconductivité. Un des grands intérêts de ces deux séries de composés, c'est qu'ils permettent l'étude de l'évolution des conditions microscopiques menant à la supraconductivité sous diverses contraintes d'anisotropie. Finalement, leur étude permet d'emblée de situer la problématique de l'origine du magnétisme et de la supraconductivité dans ces systèmes dans un cadre plus général incluant les supraconducteurs quasi-2D à haute température critiques (Y-Ba-Cu-O, La-Sr-Cu-O), etc.
Dans le cas des transitions de phase de type spin-Peierls, antiferromagnétique et supraconductrice, on s'intéresse à comprendre microscopiquement l'influence d'une très forte anisotropie spatiale quasi-1D sur l'origine, la nature (quantique, classique ou critique) ainsi que les mécanismes de propagation des corrélations précurseures à l'établissement d'ordre à longue distance. Les objectifs sont à la fois formels c'est-à-dire visant à mieux décrire le rôle des interactions (électron-électron, électron-phonon, champ magnétique, désordre, etc.) et d'application directe à l'interprétation de plusieurs résultats expérimentaux obtenus par résonance magnétique nucléaire (RMN), quadripolaire (RNQ), paramagnétique de spin (RPE), magnétotransport, conductivité hyperfréquence ou encore par simulations Monte Carlo.
On utilise des approches théoriques basées sur des techniques d'intégration fonctionnelles de champs de fermions et de bosons ainsi que sur le groupe de renormalisation pour l'étude de l'influence des nombreuses échelles d'énergie introduites par l'anisotropie, les constantes de couplage (électron-électron, électron-phonon) le champ magnétique et le désordre sur les mécanismes de propagation des corrélations dans les systèmes quasi-1D. Les fonctions de corrélation des lois d'échelle dites dynamiques qui en résultent entrent comme ingrédient de base dans l'interprétation des résultats expérimentaux.
On cherche à exploiter la supériorité de ces techniques d'approche afin de traiter de façon continue l'évolution des corrélations électroniques dans les régions dites de "crossover", lesquelles sont accessibles expérimentalement. Elles sont aussi d'importance capitale pour une description adéquate des conditions donnant naissance aux transitions de phase. On s'intéresse plus particulièrement à inclure dans la théorie de la renormalisation des termes transitifs (déviation au "nesting" parfait 1D et 2D), l'influence réciproque des couplages intra et interchaînes, les effets orbitaux induits sous champ magnétique et les fluctuations du champ de phonon sur les fonctions de réponse comme la susceptibilité magnétique, le taux de relaxation nucléaire et la constante diélectrique. En outre, on s'intéresse à la "génération" microscopique, via la renormalisation de nouveaux canaux de corrélation. C'est le cas notamment de la supraconductivité dite anisotrope générée par des fluctuations antiferromagnétiques et laquelle pourrait bien être stabilisée dans la série de composés (TMTSF)2X.
Pour le (TMTSF)2ClO4, composé quasi-1D, présentant une multitude de phases antiferromagnétiques induites sous fort champ magnétique, on se propose, via des mesures optiques (infrarouge lointain), de photoconductivité et de résonance cyclotron, de mesurer directement l'amplitude du "gap" entre les différentes bandes de Landau pour des champs magnétiques allant jusqu'à 16 Tesla et pour des températures de l'ordre de 2K. On vise également une interprétation théorique de l'effet du confinement électronique sous champ magnétique notamment de la possibilité de localisation de type Mott-Hubbard.
Des mesures de conductivité hyperfréquence dans la phase supraconductrice du (BEDT-TTF)2Cu(SCN)2 en fonction du champ magnétique permettront de vérifier si une théorie de type BCS décrit bien l'absorption hyperfréquence dans la phase supraconductrice. Notamment on s'intéresse aux effets de cohérence pour la partie réelle de la conductivité hyperfréquence (1) en fonction de la température et plus spécifiquement à l'existence d'une anomalie Hebel-Slichter juste au-dessous de la température critique. De plus, on cherche à analyser à travers la résistance de surface, l'évolution en température de la longueur de pénétration, la dynamique du réseau de vortex dans la phase supraconductrice de ces composés, sa stabilité face aux fluctuations thermiques, à la direction du champ magnétique et aux sources d'ancrage des lignes de vortex.
Une méthode de simulation numérique de type Monte Carlo quantique de la fonction de partition est utilisée pour étudier les propriétés magnétiques du modèle de Hubbard 1D, 2D, ainsi que quasi-1D. On cherche à confronter certaines prédictions issues de calculs analytiques, notamment ceux de l'approximation de phase aléatoire (RPA), du groupe de renormalisation.
À l'aide d'un résultat récent du groupe de renormalisation, nous avons démontré que le couplage cinétique de saut interchaîne d'électrons individuels donne naissance dans le domaine 1D à des mécanismes de saut interchaîne de paires de particules corrélées (électron-électron et électron-trou) quelle que soit l'amplitude de l'interaction coulombienne intrachaîne.
Le couplage d'échange antiferromagnétique favorise la formation de corrélations supraconductrices via un mécanisme d'émission et d'absorption d'ondes de spin antiferromagnétique entre électrons de chaînes voisines.
À l'aide d'une nouvelle méthode d'intégrationfonctionnelle, nous avons réussi à calculer l'influence de la séparation spin-charge sur les couplages interchaînes et les transitions de phase. Utilisant la méthode du groupe de renormalisation, nous avons pu développer une théorie de la susceptibilité magnétique dans les systèmes de Peierls et de Spin-Peierls, qui est en excellent accord avec les résultats expérimentaux obtenus sur des matériaux organiques comme le (Fluoranthène)2AsF6 et le (BCPTTF)2PF6.
Dans le cadre des simulations Monte Carlo quantiques, nous avons montré qu'il est possible d'améliorer les prédictions du groupe de renormalisation quant à l'évolution en température de la susceptibilité magnétique du modèle de Hubbard 1D et ce, en incluant de façon simple les corrections non logarithmiques à la renormalisation du paramètre d'interaction intrasite. Un accord quantitatif avec les simulations numériques est obtenu.
Les premières expériences de magnéto-conductivité effectuées à Sherbrooke sur les phases induites sous champ magnétique du composé (TMTSF)2ClO4 ont révélé l'existence d'un pseudo-gap d'excitations à haute énergie, mettant en échec certaines prédictions du "modèle" standard" couramment admis pour l'origine de ces phases.
Une première interprétation cohérente de la magnétorésistance anormale et du taux de relaxation nucléaire a été proposée pour la phase normale des composés (TMTSF)2X. Cette interprétation se base sur la restauration d'une localisation unidimensionnelle de type Mott-Hubbard résultant du confinement sous champ magnétique.
L.G. Caron (professeur)
A.-M. Tremblay (professeur)
M. Poirier (professeur)
P. Wietek (Orsay, France)
P. Auban (Orsay, France)
D. Jérome (Orsay, France)
J. Beerens (professeur)
M. Azzouz (stagiaire posdoctoral)
S. Moukouri (stagiaire postdoctoral)
L. Hubert (étudiant au 3e cycle)
B. Guay (étudiant au 3e cycle)
J. Lefebvre (étudiant au 3e cycle)
M. Girard (étudiant au 3e cycle)
D. Achkir (étudiant au 3e cycle)
S. Allen (étudiant au 2e cycle)
B. Dumoulin (étudiant au 2e cycle)
D. Boies (Ph.D. terminé en décembre 94)
Functional integral approaches on Fermion and Boson fields coupled
with renormalization group procedures have been used to study
quasi-one-dimensional and quasi-two-dimensional solids, and in
particular, the interchain and interplane interactions at temperatures
above the dimensionality crossover. These are instrumental to
the various phase transitions observed in the TMTTF, TMTSF and
mixed TMDTDSF salts in the quasi-1D case. The effect of interstack
spin-wave exchange has been shown to be attractive albeit small.
NMR and EPR have also been studied using the extended scaling
hypothesis and applied to the above described situations. In the
quasi-2D case, intramolecular electron-phonon interaction is relevant
to the superconducting ground state of the BEDT-TTF compounds.
Stability of the vortex lattice and coherence effects in the superconducting
phase of this series are studied through microwave measurements.
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Denière mise à jour, 13 janvier 1997
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