La physique du solide, ou plus généralement la physique de la matière condensée, est aujourd'hui un domaine de recherche qui englobe environ la moitié de toutes les activités de recherche en physique. Il s'agit donc d'un domaine vaste, embrassant des domaines d'études qui vont du très fondamental au très appliqué; domaine vaste mais quand même unifié par ses concepts, ses méthodes théoriques, et ses outils expérimentaux; domaine de recherche vaste mais où les regroupements de chercheurs sont devenus non seulement désirables, mais aussi nécessaires, tant à cause de la complexité et du coût des équipements qu'à cause des nombreuses expertises nécessaires pour apporter des contributions valables aux sujets de recherche de pointe.

Champs d'expertise du centre

En bref, le Centre de recherche en physique du solide (C.R.P.S.) regroupe depuis déjà dix ans des chercheurs qui étudient les propriétés microscopiques de matériaux nouveaux, généralement fortement anisotropes, que ce soit pour comprendre la nature de nouvelles phases, ou pour étudier les propriétés microscopiques les plus susceptibles de mener à de nouvelles applications à l'électronique moderne. Les chercheurs du Centre ont accès à toute une panoplie d'instruments permettant d'étudier les propriétés électroniques, acoustiques, optiques de ces matériaux tout en les soumettant à des conditions extrêmes: très basses températures (300 mK), hautes pressions (500 kBar), forts champs magnétiques (16 T). Nous espérons bientôt pouvoir produire et étudier des structures dont les dimensions sont réduites au nanomètre.

L'infrastructure du Centre comprend des salles blanches, des salles propres, des liquéfacteurs pour les liquides cryogéniques (azote et hélium) ainsi que des lignes de récupération d'hélium. Le Centre a aussi ses propres ordinateurs (25 MFlops et bientôt 50 MFlops) ainsi qu'un réseau de communication (10 Mbits/s) reliant tous les laboratoires et bureaux et connecté au réseau international internet. Le Centre bénéficie aussi des services d'une équipe de quatre techniciens, d'un ingénieur en électronique (mi-temps) et d'un ingénieur des salles blanches (1/3 de temps). À plusieurs égards, les installations du Centre sont uniques au Québec, et dans certains cas au Canada.

Problématique d'ensemble, axes et programmes de recherche

La physique du solide est une science ayant atteint un grand niveau de maturité. Elle fournit un schéma d'explication satisfaisant pour, par exemple, les métaux, les isolants, et les semi-conducteurs, ces derniers étant à la base de l'électronique moderne. C'est dans l'étude de nouveaux matériaux, généralement à caractère fortement anisotrope, que les schémas d'explications traditionnels sont poussés à la limite de leur applicabilité. Que ce soit à cause de leurs propriétés quasi-unidimensionnelles, de l'apparition de nouvelles phases, des conditions extrêmes auxquelles ils sont soumis, ou de leurs dimensions nanométriques, les matériaux étudiés par les chercheurs du C.R.P.S. présentent un défi intellectuel et technologique. La sensibilité des instruments est poussée à l'extrême; les théories et points de vue traditionnels doivent être revus. De nouvelles approches, tant théoriques qu'expérimentales, doivent être développées. C'est ainsi que les chercheurs du Centre contribuent à comprendre de nouvelles classes de matériaux et à en découvrir et explorer toutes les propriétés: électroniques, magnétiques, acoustiques, optiques etc...

Le Centre regroupe trois équipes de recherche. Chacune d'entre elles comprend de trois à cinq chercheurs ayant des intérêts très proches ainsi qu'une expertise complémentaire. Des interrelations multiples existent entre chercheurs de telle sorte que la structure en équipe du Centre n'est pas rigide. A) L'équipe d'études expérimentales de matériaux exotiques s'intéresse principalement aux conducteurs et supraconducteurs organiques, aux supraconducteurs à haute température de transition, aux isolants magnétiques et aux ferroélectriques. B) L'équipe de recherches théoriques sur les propriétés élastiques et électroniques des matériaux fortement anisotropes étudie elle aussi la plupart des matériaux qui intéressent cette dernière équipe expérimentale. Plusieurs projets sont directement reliés à des expériences en cours à Sherbrooke. C) Le groupe d'études des Matériaux pour Composants et Microstructures (MCM) se concentre sur les semi-conducteurs de type III-V, et sur leur potentiel d'application en optoélectronique. Ce groupe de recherche comprend aussi des ingénieurs, et son domaine de recherche est celui où le potentiel d'application est le plus grand, particulièrement en télécommunications.

Nous décrivons dans ce qui suit les projets majeurs de chacune des équipes, ainsi que les chercheurs impliqués. Lorsqu'un théoricien est impliqué dans un projet expérimental, son nom apparaît souligné dans la description du projet. Les chercheurs mentionnés sont des chercheurs principaux à moins d'indications contraires.

Interrelations des projets de recherche avec les axes de recherche. Type de méthodes utilisées. Nom des chercheurs impliqués dans chaque axe.

1. Études expérimentales de matériaux exotiques

Le coeur de cette équipe est formé des Profs. Poirier, Jandl et Taillefer (CHUC) qui ont une subvention d'équipe FCAR depuis 1992. Les principaux chercheurs impliqués dans cet axe sont, par ordre alphabétique, et à l'exception des théoriciens:

M. Aubin, spécialisé dans les mesures de transport et la croissance cristalline.

S. Jandl, spécialiste des spectroscopies Raman et infrarouge.

M. Poirier, spécialisé dans les mesures d'absorption hyperfréquence et ultrasonore.

L. Taillefer de McGill (CHUC), spécialisé dans les mesures de conductivité thermique et de chaleur spécifique à très basse température ainsi que dans la croissance cristalline des matériaux à fermions lourds.

Une chercheuse postdoctorale, J. Musfeldt, vient aussi de se joindre à ce groupe. J. Beerens de l'équipe MCM collabore au projet des conducteurs organiques à onde de densité de spin grâce à des mesures de photoconductivité sous champ magnétique. D. Houde (CHUC) s'intéresse aux propriétés optiques non-linéaires des organiques.

Nous définissons les matériaux exotiques comme étant ceux où les modèles conventionnels de la physique du solide (électrons libres, faibles interactions, champ moyen) sont inapplicables. Parmi ces matériaux, le groupe s'intéresse particulièrement aux conducteurs et supraconducteurs organiques, aux supraconducteurs à élevée, aux fermions lourds et aux isolants magnétiques unidimensionnels de type . Leurs propriétés dites exotiques (effet Hall quantique, gap de Haldane, supraconductivité de type d, transition de Peierls et spin-Peierls) sont en général intimement reliées au fait que leur caractère fortement anisotrope leur confère des propriétés qui n'apparaissent qu'en une et deux dimensions.

Une compréhension claire de tels matériaux nécessite: a) des cristaux de très grande qualité; b) des sondes physiques appropriées donnant accès aux paramètres fondamentaux; c) une excellente expertise théorique. Le rôle du C.R.P.S. est donc de réunir ces conditions. Ceci se fait de la façon suivante:

a) Presque tous les matériaux sont fournis par des collaborateurs étrangers dont l'expertise permet d'obtenir des cristaux qui sont en général parmi les meilleurs au monde. Le C.R.P.S. contribue aussi à la production locale de matériaux. Nous produisons entre autres à Sherbrooke et à McGill des supraconducteurs à élevée sous forme monocristalline et la croissance de supraconducteurs de type fermions lourds est prévue à McGill.

b) Les techniques expérimentales disponibles sont fort variées et elles sont à la fine pointe de la recherche dans le domaine: propriétés de transport, (effet Hall, effet Nernst, magnétorésistance) absorption hyperfréquence (17 GHz présentement, et le CRSNG vient d'accorder un appareillage à 60 GHz) en champ magnétique, propagation ultrasonore, spectroscopies infrarouge (spectromètre Fourier de marque Bomem) et Raman, réflectivité, conductivité thermique et chaleur spécifique. La complémentarité des techniques est indispensable pour le programme proposé; les gammes de fréquence sont complémentaires et la plupart des mesures sont effectuées aux basses (1,5 K) et très basses températures (10 mK) dans des champs magnétiques pouvant aller jusqu'à 15 Tesla.

c) L'expertise théorique est en grande partie assurée par l'équipe théorique de Sherbrooke en ce qui a trait aux conducteurs organiques (Bourbonnais, Caron) et aux systèmes magnétiques (Caillé, Plumer (CHU)).

1.1 Supraconducteurs:

Trois types de supraconducteurs très différents sont étudiés: quasi-unidimensionnels (organiques), quasi-bi-dimensionnels (organiques et hauts Tc) et fermions lourds (tri-dimensionnels). Il semble bien acquis que la supraconductivité des fermions lourds est de type d (d-wave), et nous sommes maintenant confrontés à la possibilité intriguante que organiques et hauts aient eux aussi une supraconductivité de type d, contrairement à tous les autres matériaux "conventionnels" qui ont une supraconductivité de type s. Plusieurs expériences restent à faire avant que la controverse ne disparaisse!

1.1.1 Supraconducteurs organiques (Poirier, Jandl, Bourbonnais)

Les études portent sur les conducteurs organiques de type dont la structure est bi-dimensionnelle. Par une mesure d'impédance de surface il est possible d'avoir simultanément accès à la partie réelle de la conductivité et à la longueur de pénétration dont les dépendances en température permettent d'avoir accès aux facteurs de cohérence reliés à la supraconductivité et ainsi d'identifier la symétrie du paramètre d'ordre (type s,p,d). Ces mesures ont été menées sur le composé ( = 9,05K) où il a été montré que la supraconductivité pourrait être non-conventionnelle, c'est-à-dire pas de type s. De telles mesures seront poursuivies sur le composé ayant pour anion , supraconducteur à 11,6 K. À ces mesures d'impédance de surface s'ajouteront les spectroscopies Raman et infrarouge et possiblement l'atténuation ultrasonore. Les premières permettent d'étudier le comportement des phonons et du plasma à la transition, d'établir les couplages susceptibles d'être précurseurs de la supraconductivité et éventuellement déterminer le gap supraconducteur. Notons qu'il y a deux types de facteurs de cohérence et que l'atténuation ultrasonore sonde le type I alors que l'absorption hyperfréquence sonde le type II. Les cristaux proviennent d'Orsay (France) et le soutien théorique est assuré par C. Bourbonnais.

La dissipation produite par le mouvement des fluxons en présence d'un champ magnétique est aussi d'intérêt.

1.1.2 Supraconducteurs à Tc élevée (Aubin, Jandl, Poirier, Taillefer (CHUC))

Comme pour les supraconducteurs organiques, la question centrale est le type de supraconductivité et les mesures utilisées sont l'impédance de surface, la réflectivité infrarouge et la conductivité thermique dans des configurations sensibles à l'anisotropie. Dans le système YBCO nous venons de confirmer à Sherbrooke la dépendance linéaire en température de la longueur de pénétration. Ceci signale une supraconductivité non-conventionnelle. Quelques-uns des cristaux sont fournis par le groupe de W. Hardy à UBC grâce avec nos liens avec l'ICRA. Ils sont reconnus comme étant les meilleurs au monde. D'autres échantillons sont produits à Sherbrooke et à McGill et nous en obtenons aussi sous forme de couches minces de la société IMEC en Belgique; la production et la caractérisation de couches minces sont très importantes en raison du potentiel technologique important dans l'industrie de la micro-électronique.

Un autre centre d'intérêt est aussi le mouvement ou l'absence de mouvement de fluxons dans ces matériaux. La réalisation à Sherbrooke de monocristaux a rendu possible l'élaboration et l'exploitation d'une technique originale (mesure alternative des effets Nernst et Seebeck) d'étude du mouvement des fluxons. Ces études ont mené à des collaborations avec l'IREQ (J. Cave (CHI) avec qui une demande stratégique sera déposée) et l'Université d'Ottawa (M. Leblanc); d'autres collaborations sont en développement avec l'UQTR (T. Bose) et Polytechnique (P. Bosisio).

Les oxydes supraconducteurs avec porteurs électroniques de type (R = Pr et Nd, M = Ce et Th) sont aussi étudiés. Dans ces structures, les atomes de Nd (électrons f ) constituent des sondes idéales des champs électriques et magnétiques locaux et de leur évolution lors des différentes transitions de la structure. Nos travaux de spectroscopie Raman et infrarouge ont permis de résoudre une controverse reliée à la présence de doublets de Kramers. La collaboration avec le Max-Planck Institüt de Stüttgart et l'Université de Barcelone permettent la poursuite de ce projet.

1.1.3 Fermions lourds (Taillefer (CHUC), Poirier)

L'étude des systèmes fermions lourds, tel , permet d'approcher une supraconductivité dont l'anisotropie du gap est ici confirmée par l'existence d'un comportement non-exponentiel de plusieurs propriétés physiques en-dessous de , d'une part, et de l'observation de signatures thermodynamiques (chaleur spécifique, dilatation thermique et vitesse du son) associés aux différentes phases de l'état supraconducteur, d'autre part. L'anisotropie de la conductivité thermique en présence d'un champ magnétique peut permettre d'identifier la structure du gap le plus adéquat si la mesure est faite pour différentes directions du courant de chaleur dans le même échantillon. Encore ici l'importance de disposer d'échantillons de qualité est primordiale: L. Taillefer (CHUC) à McGill possède l'expertise de croissance cristalline et la technique de conductivité thermique aux très basses températures en champ magnétique. Ces mesures thermiques seront menées conjointement à des mesures de propagation ultrasonore; cette dernière technique, disponible à Sherbrooke, permettra également d'étudier l'anisotropie du gap via une mesure d'atténuation d'ondes longitudinales et transversales. Les idées qui apparaissent dans ce domaine pourront être utiles pour les autres supraconducteurs que nous étudions. Les collaborateurs pour ce projet sont: H.V. Löhneysen (Universität Karlsrühe), K. Maki (University of Southern California) et K. Benhia (Orsay).

1.2 Conducteurs organiques (Poirier, Jandl, Bourbonnais, Caron)

L'intérêt porte sur divers types de conducteurs organiques à caractère quasi-unidimensionnel. Le premier type concerne les conducteurs qui incorporent dans leur structure une chaîne de moments localisés qui interagissent avec les porteurs libres. Les composés à une seule chaîne sont des conducteurs qui sont de bons exemples de systèmes Kondo à une dimension; en hyperfréquence, une magnétoconductivité positive géante est obtenue lorsque quelques pour-cent de Cu sont introduits dans la structure. Des études analytiques et numériques détaillées de la chaîne de Kondo sont en cours (Caron). Beaucoup d'autres expériences sont donc prévues pour mieux cerner ce type de problème qui est unique aux conducteurs quasi-1D: des mesures d'absorption hyperfréquence en fonction de l'orientation du champ magnétique, d'anisotropie de la conductivité, de conductivité sous pression hydrostatique (collaboration avec D. Jérome à Orsay), de diffusion de R-X (collaboration avec J.P. Pouget, Orsay), de réflectivité infrarouge et de spectroscopie Raman. Les cristaux sont produits par le groupe de B.M. Hoffman (Northwestern).

L'autre type de conducteur est un composé bi-chaîne (M = Pt, Pd, Au) pour lequel une transition de type Peierls apparaît en-dessous de 30K. Pour ces composés, les spins localisés sont associés à la chaîne isolante (mnt) et les porteurs libres à celle de perylène. Pour le composé avec Au (S=0), la transition n'est pas bien définie alors qu'elle est brutale lorsque des spins localisés sont présents (Pt et Pd). Les mesures magnétiques indiquent un fort couplage entre les deux systèmes de spins mais, jusqu'à présent, le possible lien entre cette interaction et la transition n'est pas établi. Les mesures hyperfréquences mettent clairement en évidence l'apparition d'un gap sur la constante diélectrique à la transition; il s'agit maintenant d'en identifier l'origine et de préciser le rôle des interactions spin-spin en poursuivant les mesures sur des alliages Pt-Au et Pd-Au afin de suivre l'évolution de la transition. Elles seront complétées par des mesures de diffusion Raman et de réflectivité infrarouge afin de déterminer la présence de la transition de Peierls sur la chaîne conductrice. Les cristaux sont produits par R. Henriquès (Portugal); la collaboration s'intensifiera par le séjour à Sherbrooke d'un étudiant portuguais. Ces études sont effectuées en collaboration avec C. Bourbonnais et L.G. Caron.

Un autre projet vise les ondes de densité de spin dans les sels de Bechgaard, (). Le travail est effectué par une stagiaire postdoctorale en étroite collaboration avec C. Bourbonnais; les mesures d'impédance de surface seront analysées conjointement à des mesures de photoconductivité sous pression en champ magnétique effectuées par le groupe de J. Beerens. L.G. Caron a déjà fourni une explication prometteuse de ces résultats basée sur leur relation avec la dérivée par rapport à la température de la magnétorésistance, mais plusieurs travaux théoriques restent aussi à faire. Les cristaux proviennent du groupe d'Orsay.

1.3 Isolants magnétiques à caractère quasi-unidimensionnel

(Poirier, Jandl, Taillefer (CHUC), Caillé, Sénéchal)

Les matériaux magnétiques quasi-unidimensionnels de type possèdent des diagrammes de phase très riches aux basses températures et de nouvelles classes d'universalité sont proposées pour en expliquer les caractéristiques ce qui suscite beaucoup de controverse. Ces composés sont caractérisés par un fort couplage du paramètre d'ordre avec le tenseur d'élasticité, ce qui produit des anomalies sur les constantes élastiques à partir desquelles le diagramme de phase peut être reconstruit. De même, les spectroscopies Raman et infrarouge permettent de préciser les interactions magnon-phonon et leur évolution en fonction du caractère magnétique de la structure. La technique hyperfréquence permet également d'obtenir la susceptibilité magnétique complexe des matériaux donnant ainsi la possibilité d'étudier les phénomènes critiques à l'approche des transitions.

Deux systèmes dits à gap de Haldane sont étudiés par ultrasons, le et le NENP qui sont respectivement des systèmes anti-ferromagnétiques à axe et plan d'aimantation facile (S=1). On s'intéresse ici aux diagrammes de phase en fonction de l'orientation du champ magnétique. L'étude du est pratiquement terminée et la classe d'universalité semble bien établie. Les résultats près du point multicritique pourront être comparés avec les simulations Monte Carlo du groupe de Caillé. La mesure ultrasonore sur le NENP pose des difficultés inhabituelles (contraction thermique importante) et l'étude reste à faire. Une mesure de résonance magnétique confirme, pour les deux composés, les résultats de la littérature. Le temps de relaxation transverse () demeure un mystère du point de vue théorique et une collaboration avec Sénéchal sur ce problème débute.

Deux autres systèmes, ferromagnétiques ceux-là, sont aussi étudiés. Le est un système à plan d'aimantation facile qui subit une transition en-dessous de 2,7 K; le diagramme de phase mesuré à Sherbrooke confirme le caractère fortement non-linéaire du matériau et la non-pertinence d'une approche champ moyen pour décrire le système. Le groupe de Caillé calcule donc présentement ce diagramme de phase à l'aide de la méthode des histogrammes en Monte Carlo. Nous nous intéressons maintenant au TMNB qui possède une structure magnétique similaire bien qu'il soit monoclinique (et non hexagonal) aux basses températures; son diagramme de phase n'est pas connu et nous nous y intéressons via les ultrasons et les hyperfréquences.

Un autre projet concerne le qui est un anti-ferromagnétique à plan d'aimantation facile: le diagramme de phase a été mesuré par ultrasons et des mesures de susceptibilité hyperfréquence sont maintenant en cours pour obtenir le comportement critique. Dans tous ces composés, le couplage magnon-phonon reste à déterminer par spectroscopie pour compléter notre étude magnétique. Ces projets sont menés en étroite collaboration avec A. Caillé et M.L. Plumer (CHA) de Sherbrooke qui déterminent les modèles théoriques les plus appropriés. Certains cristaux, tels le TMNB et le NENP, proviennent de J.P. Renard à Orsay. D'autres projets concernant ces composés touchent à la conductivité thermique et la chaleur spécifique sous champ magnétique aux basses températures avec l'implication du groupe de L. Taillefer (CHUC).

Finalement, notons qu'en plus des points multicritiques observés dans le et dans le , une variété d'autres diagrammes de phase sont possibles. Le groupe de Caillé a fait des études théoriques exhaustives sur: a) le cas d'interactions magnétiques isotropes , b) l'effet de la bi-dimensionalité dans un système à plan d'aimantation facile, (), c) la levée de la frustration dans un système avec anisotropie planaire par des tensions uniaxiales () et d) l'effet de l'anisotropie magnétique dans le plan pour une structure hexagonale déformée (TMMC). Chacun de ces cristaux pourrait être ensuite étudié expérimentalement.

1.4 Ferroélectriques (Jandl, Houde (CHUC), Poirier)

Nous nous intéressons aux effets produits par les impuretés sur les propriétés optiques de ces matériaux qui constituent des lasers solides syntonisables et des supports d'hologrammes. Les techniques utilisées sont la spectroscopie résolue dans le temps (femtoseconde) et les spectroscopies Raman et infrarouge. La constante diélectrique hyperfréquence renseigne aussi sur le rôle des lacunes d'oxygène à l'approche de la transition de phase.

2. Équipe de recherches théoriques sur les propriétés élastiques et électroniques des matériaux fortement anisotropes

Cette équipe est reconnue par une subvention FCAR depuis 1991. Plusieurs des projets des membres de cette équipe étant directement reliés aux projets de l'équipe expérimentale sur les matériaux exotiques, ils ont été décrits ci-dessus et n'apparaîtront donc pas ici. La majeure partie des autres projets concerne les mêmes classes de matériaux. Cette équipe est composée de,

C. Bourbonnais, spécialiste des conducteurs organiques, est un expert des techniques de renormalisation.

A. Caillé est spécialisé dans l'étude du magnétisme dans les systèmes anisotropes avec frustration, ainsi que dans l'étude des cristaux liquides.

L.G. Caron est spécialiste a) des conducteurs organiques et des techniques de renormalisation, analytiques et numériques b) des interfaces semiconducteur-polymères.

R. Côté (CHA) est un spécialiste du problème à N-corps.

T.C. Li (CHA) est spécialisé dans les méthodes de bosons-esclaves.

M. Plumer (CHA) est un spécialiste du magnétisme.

D. Sénéchal, arrivé en septembre 92, a été formé en physique des hautes énergies et en théorie des champs conformes. Il s'intéresse aux applications de la théorie des champs à la supraconductivité ainsi qu'au magnétisme dans les systèmes uni-dimensionnels.

C. Thibaudeau, (CHC) est un spécialiste des systèmes magnétiques lamellaires.

A.-M.S. Tremblay est un spécialiste du problème à N-Corps, des simulations Monte Carlo, et de la supraconductivité.

Le groupe compte aussi trois postdocs, M. Azzouz (STP) (renormalisation, bosons esclaves), Liang Chen (STP) (Monte Carlo, problème à N-Corps), Y. Vilk (BOP) est un spécialiste du problème à N-Corps, et un quatrième (Moukouri) est prévu en avril.

Les calculs numériques sont faits sur un réseau d'ordinateurs (UNIX et DOS) dont la vitesse combinée atteindra bientôt 50 MFlops, sans compter les PC. Le poste le plus performant atteint à lui seul la moitié de cette vitesse d'exécution. Le centre de calcul de l'Université, auquel nous avons aussi accès, augmentera d'ici quelques mois sa puissance de calcul jusqu'à 250 MFlops.

2.1 Approches analytiques et simulations numériques pour les électrons fortement corrélés. (Bourbonnais, Caron, Sénéchal, Tremblay)

Des programmes de simulations numériques sophistiqués pour le modèle de Hubbard avec intégrale d'échange aux premiers et au deuxième voisins ont été mis au point. Il n'existe maintenant dans le monde qu'une dizaine de groupes qui ont développé ce genre d'expertise. Le développement de nouvelles approches numériques, en particulier dans l'espace des impulsions est en cours.

Les objectifs généraux de cette recherche sont d'obtenir des prédictions précises pour le modèle de Hubbard ainsi que d'autres modèles d'électrons fortement corrélés dans le régime de couplage intermédiaire en utilisant plusieurs approches complémentaires, tant numériques qu'analytiques.

Comme sous-objectifs de cette recherche, mentionnons les améliorations méthodologiques pour l'étude de ce genre de problèmes. Plusieurs méthodes existent déjà, mais certaines d'entre elles sont nouvelles et ont encore besoin d'être vérifiées en comparant aux résultats Monte Carlo. Cela a déjà été fait en partie, entre autres pour la méthode des bosons-esclaves. La validité de l'approximation RPA généralisée pour les fluctuations magnétiques a aussi été balisée de même que l'application du groupe de renormalisation aux composés uni-dimensionnels. Ce genre de travaux théoriques sera poursuivi entre autres pour expliquer des résultats Monte Carlo sur le facteur de structure magnétique de chaînes de Hubbard couplées dans le but de vérifier le modèle de Bourbonnais-Caron pour les supraconducteurs organiques, (cf ci-dessous). Des comparaisons détaillées entre une approche de renormalisation numérique et la approches analytiques à la chaîne de Kondo seront aussi entreprises.

Les applications du groupe de renormalisation au problème de chaînes de Hubbard couplées par une faible intégrale de saut continueront d'être explorées. En effet, une controverse, générée par P.W. Anderson, existe présentement sur la stabilité du liquide de Luttinger qui apparaît à une dimension à la place du liquide de Fermi.

Une des nouvelles approches au problème à N-corps étudiée à Sherbrooke nous vient de la théorie des champs: La supraconductivité apparaît au-delà d'un certain dopage par des trous. Ce dopage devrait en principe être représenté par des fermions chargés en interaction avec le modèle sigma non-linéaire, du moins à faible dopage. Sénéchal a déjà étudié un modèle jouet relativiste impliquant le modèle sigma non-linéaire couplé à des fermions de Dirac, et ayant une phase supraconductrice correspondant à la phase désordonnée du modèle sigma non-linéaire. La construction d'un modèle plus réaliste non-relativiste est planifiée.

2.2 Comparaisons détaillées entre théorie et expérience pour les systèmes d'électrons fortement corrélés. (Bourbonnais,Tremblay,Azzouz (STP), Chen (STP), Li (CHU), Vilk (BOP)).

La comparaison avec les simulations Monte Carlo montre comment calculer les propriétés magnétiques du modèle de Hubbard de façon fiable jusque dans le régime de couplage intermédiaire. Des comparaisons détaillées avec les expériences de diffusion neutronique sur les supraconducteurs à haut ont été récemment complétées. Il reste à vérifier en détail la susceptibilité de spin uniforme, et les expériences de RMN. Il devient aussi important de tenir compte microscopiquement des fluctuations qui, en deux dimensions, détruisent l'ordre à longue portée (théorème de Mermin-Wagner). Il est en particulier concevable que ce genre de fluctuations soit à l'origine de la petite échelle d'énergie qui apparaît clairement dans les expériences de diffusion neutronique. Une approche du type couplage de mode et une autre de type renormalisation ont été entreprises avec le Prof. Andrei Ruckenstein. Dans la limite de couplage très fort ce sont les méthodes intégrale-fonctionnelle pour les bosons-esclaves ou fermions-esclaves qu'il faut utiliser. Les approches qui auront été validées soit par comparaison avec des résultats exacts ou avec les simulations Monte Carlo, seront ensuite comparées avec les expériences de diffusion neutronique.

Ce genre de comparaisons détaillées avec l'expérience, particulièrement la RMN, la RNQ et la RPE, sont faites depuis plusieurs années dans le contexte des composés organiques et . En utilisant les techniques d'intégration fonctionnelle des champs de fermions et de bosons ainsi que le groupe de renormalisation, on peut expliquer en détail l'influence des nombreuses échelles d'énergie introduites par l'anisotropie et les diverses constantes de couplage sur l'évolution des corrélations dans les régions dites de "crossover" dimensionnels, lesquelles sont accessibles expérimentalement. On inclut maintenant dans la théorie la renormalisation des termes transitoires (déviation à l'emboîtement parfait par exemple), les effets orbitaux induits sous champ magnétique et les fluctuations du point zéro du champ de phonon. De plus, on connaît les mécanismes de "génération" microscopique de nouveaux canaux de corrélation par la renormalisation. C'est le cas notamment de la supraconductivité dite anisotrope générée par des fluctuations antiferromagnétiques qui pourrait bien être stabilisée dans la série de composés . Il est à noter que la supraconductivité induite par les fluctuations antiferromagnétiques est une des possibilités étudiées sérieusement aussi pour les supraconducteurs à haute .

2.3 Antiferroaimants quasi-unidimensionnels de type

(Caillé, Plumer (CHA), Diep (CHH), Côté (CHA), Sénéchal, Tremblay)

Plusieurs des études expérimentales à Sherbrooke portent sur ces matériaux. Aux températures plus grandes que l'énergie d'échange inter-chaînes, les corrélations entre les chaînes sont inexistantes et on peut considérer ces matériaux comme formés de chaînes isolées (phase 1-D). Aux températures plus basses, il y a ordre antiferromagnetique 3-D, avec frustration dans les plans. En plus des nombreux projets décrits ci-haut dans le contexte des expériences, le problème de la dynamique des excitations magnétiques dans la phase ordonnée sera étudié plus en détail car il existe encore une controverse dans le domaine: Affleck explique la présence d'un mode longitudinal par une prolongation du gap de Haldane, alors que Caillé et Plumer proposent un Lagrangien ayant un terme d'énergie cinétique non-conventionnel qui ne redonne les ondes de spin traditionnelles que dans un système non-frustré. Deux approches seront utilisées pour résoudre cette controverse: a) Dérivation de l'action aux grandes longueurs d'ondes par une approche théorie des champs. b) Calcul avec un modèle microscopique.

3. Le groupe d'études des Matériaux pour Composants et Microstructures (MCM)

En avril 91, le Centre a officiellement fait de l'étude des matériaux pour microstructures un axe majeur de recherche. Cette décision a mené à la formation d'une équipe multidisciplinaire regroupant des chercheurs des Départements de physique et de génie électrique. Plus spécifiquement, sur une période de moins de trois ans, un ingénieur et quatre professeurs-chercheurs spécialisés en III-V ont été embauchés dans des postes réguliers de l'Université. Ces derniers forment le coeur du groupe d'étude des Matériaux pour Composants et Microstructures (MCM), créé en septembre 92:

J. Beerens: Prof. en Physique (intégré en juin 91). Spécialisé dans les mesures à basse température sous champ magnétique intense (magnéto-optique, magnétotransport) et sous pression.

C. Aktik (CHUA): Prof. en Génie électrique (intégré en février 92). Spécialisé dans la croissance de composés et hétérostructures III-V par MOCVD.

J. Beauvais: Prof. en Génie électrique (intégré en janvier 93). Spécialisé dans a) les techniques de fabrication submicronique (lithographie par faisceau d'électrons, gravure sèche) de structures III-V pour l'optoélectronique et b) la caractérisation optique de ces structures.

D.Morris: Prof. en Physique (entrée en fonction en septembre 93). Spécialisé dans les études optiques résolues dans le temps à l'échelle femtoseconde d'hétérostructures III-V.

Ingénieur de salles blanches en génie électrique. L'ingénieur en poste depuis 2 ans nous a quitté récemment; une nouvelle embauche aura lieu d'ici mai 93.

D. Houde (CHUC) et W. Rasmussen (CHC), sont également associés de près aux activités du MCM.

Étant donné qu'un des quatre chercheurs principaux n'est arrivé que depuis trois mois, et que le dernier n'arrivera qu'en septembre, il est clair que l'on doit considérer ce groupe comme étant encore en démarrage, bien qu'une imposante infrastructure soit déjà en place. L'objectif à court terme de ces chercheurs est de devenir un groupe reconnu dans le domaine de la physique des matériaux et structures pour la microélectronique.

D'importants efforts ont été faits pour que le démarrage de ce groupe soit le plus efficace possible: les nouveaux chercheurs ont été soigneusement sélectionnés en fonction de leur excellence et de la complémentarité de leurs compétences, et un programme mobilisateur, basé sur l'introduction d'une technologie de fabrication submicronique, a été mis sur pied afin de catalyser les activités de recherche. Le MCM dispose d'une importante infrastructure comprenant des salles blanches (160 , classe 100) complètement équipées pour la fabrication de circuits intégrés, des salles propres pour la préparation des échantillons, un implanteur ionique (5-200keV), un système de croissance épitaxiale par MOCVD, un montage de mesures optiques et électriques sous champ magnétique intense (16 Teslas) et un montage de mesures d'absorption transitoire résolue dans le temps à l'échelle femtoseconde, en plus d'un ensemble de moyens de caractérisation et de préparation d'échantillons (photoluminescence, photoconductivité, DLTS, effet Hall, C(V),évaporation, pulvérisation cathodique, PECVD, profilométrie de surface...). Le soutien technique de cette équipe est assuré par C. Julien (technicienne payée par le Centre et consacrant les deux tiers de son temps de travail aux activités du groupe MCM) et par P. Lafrance (technicien à mi-temps aux salles blanches, payé par l'Université). Le MCM bénéficie d'un appui significatif de l'Université, comme en témoignent les fonds de démarrage substantiels accordés à MM. Beauvais et Morris.

Nous prévoyons que d'ici deux ans, J. Beauvais aura mis en opération, dans les salles blanches, un montage de lithographie par faisceau d'électrons permettant la fabrication de structures et de dispositifs avec une résolution inférieure à 20 nm. Les matériaux de base utilisés par Beauvais seront des hétérostructures produites par croissance épitaxiale qui peuvent être fabriquées par C. Aktik (CHUA) en génie électrique par la méthode MOCVD ou obtenus dans le cadre de collaborations externes. Le montage MOCVD du MCM permet la réalisation d'hétérostructures GaAs-GaAlAs de haute qualité.

La disponibilité, sur place, de ces nouveaux matériaux permettra un développement rapide de projets de recherche sur les nanostructures incluant l'étude des propriétés physiques des fils et boîtes quantiques dans l'infrarouge lointain et sous champ magnétique (Beerens) et des propriétés optiques résolues dans le temps à l'échelle femtoseconde de micro- et nanostructures (Morris, Houde). Les champs magnétiques constituent un outil particulièrement puissant pour l'investigation des propriétés optiques et électriques de ces matériaux; quant aux mesures optiques avec résolution temporelle, elles sont des plus pertinentes en raison du haut potentiel d'applications de ces structures en optoélectronique ultra-rapide. Le programme comprend également des projets de nature plus appliquée tels que la fabrication de lasers à fils quantiques et de guides d'onde pour l'optique intégrée à partir de techniques exploitant la lithographie submicronique et l'implantation ionique (Beauvais), ainsi que la conception et l'optimisation de dispositifs basés sur des structures à dimensionalité réduite (Aktik (CHUA), Rasmussen (CHC)). W. Rasmussen prendra en charge, notamment, l'aspect CAO relié à la fabrication des dispositifs; il utilisera pour cela les installations disponibles en génie électrique.

En ce qui concerne D. Morris, il faut signaler qu'il s'agit d'un chercheur qui termine en ce moment un stage postdoctoral à France-Télécom, dans un groupe reconnu internationalement pour ses études optiques de matériaux et structures III-V, et qui entrera en fonction comme professeur à la fin de l'été 93. Il aura pour mandat de mettre sur pied à brève échéance un montage de photoluminescence (PL) résolue dans le temps à l'échelle femtoseconde qui sera consacré aux études des structures III-V. Les mesures d'absorption transitoire, complémentaires aux mesures de PL, seront effectuées dans le cadre d'une collaboration interne avec D.Houde, qui dispose d'un montage déjà opérationnel à cette fin. On peut aussi noter que d'autres chercheurs du Centre (Caillé, Thibaudeau (CHC)) entreprennent maintenant des études théoriques sur les réseaux bi-dimensionnels de fils quantiques pour caractériser l'influence du recouvrement quantique de ceux-ci et obtenir les propriétés magnéto-optiques de ces structures dans différentes configurations. Leurs prédictions pourront être testées par le groupe MCM.

Les chercheurs du MCM entretiennent plusieurs collaborations externes avec le milieu industriel (BNR, MITEL), le milieu universitaire (U. de Glasgow, École Polytechnique de Montréal) et des centres de recherche gouvernementaux (CNRC, France-Télécom). Celles-ci leur donnent accès à d'autres types de matériaux et à des possibilités expérimentales complémentaires, de même qu'elles permettent de réaliser des échanges avec des théoriciens. Elles donnent également la possibilité d'attirer des stagiaires et étudiants gradués de l'étranger, ou d'envoyer des étudiants en stage dans des laboratoires partenaires. A notre connaissance, il n'y a qu'un seul autre système de lithographie par faisceau d'électrons opérationnel au Canada (CNRC à Ottawa, et un autre en installation dans l'industrie, chez BNR à Ottawa). Le couplage des possibilités de fabrication submicronique avec les moyens d'études physiques utilisant des techniques de pointe (très basses températures, champs magnétiques intenses, spectroscopies femtoseconde) disponibles sur place vont permettre de développer rapidement des activités de recherche de haut niveau dans un domaine suscitant beaucoup d'intérêt actuellement [voir par ex. Physics of Low dimensional Semiconductor Structures, P. Butcher et al. Ed., Plenum 1992]. Celles-ci apporteront une contribution significative à la formation de personnel hautement qualifié dans un secteur de haute technologie, et nous estimons qu'elles généreront rapidement de nouvelles collaborations avec d'autres groupes de recherche et avec le milieu industriel. A moyen terme, il est envisagé d'entreprendre la fabrication de structures submicroniques combinant des semiconducteurs avec des supraconducteurs, des ferroélectriques ou des matériaux magnétiques. Des premiers travaux ont été accomplis sur ce type de matériaux par quelques groupes pionniers, et il est pressenti que leur étude prendra rapidement de l'ampleur. Le Centre paraît avoir une position des plus favorables pour se distinguer dans ce domaine, en raison de la présence, en son sein, de compétences reconnues sur les matériaux supraconducteurs, ferroélectriques, magnétiques et semiconducteurs.

4. Exploration de nouvelles directions.

Quelques projets à collaboration plus réduite sont encouragés par le Centre soit à cause de leur caractère original ou de leur aspect consolidation. Il s'agit dans tous les cas de voies de recherche qui pourraient devenir plus importantes dans l'avenir. Nous n'en donnons que les titres faute d'espace.

Rédaction d'une monographie sur l'invariance conforme

(Sénéchal, en collaboration avec P. Mathieu (Laval) et P. DiFrancesco).

Rédaction d'une monographie sur les conducteurs organiques (Cambridge U. Press) (Bourbonnais)

Les réseaux magnétiques (Caillé, Thibaudeau (CHC))

Les cristaux liquides discotiques (Caillé, Plumer (CHA), Diep (CHUC))

Propriétés non-linéaires (Caron, Houde (CHUC), Bandrauk (CHUC))

Cristal de Wigner dans les structures III-V (René Côté (CHA))

Rédaction d'un chapitre sur les systèmes de spins frustrés (Caillé, Plumer (CHA), Diep(CHH))

5. Recherche contractuelle. (C. Carlone, M. Aubin, L. Sanche (CHUC))

Depuis plusieurs années, certains chercheurs du Centre ont bénéficié d'un contrat de recherche avec le Ministère de la défense. Ces activités ont entre autres permis l'achat d'équipement. Le contrat en cours implique les chercheurs C. Carlone et M. Aubin dans un projet portant sur l'effet de la radiation sur le GaAs. L'intérêt technologique réside dans les applications aux circuits électroniques dans les véhicules spatiaux.

L. Sanche (CHUC) entreprendra bientôt au département de physique une recherche contractuelle sur le vieillissement des diélectriques dû aux processus électroniques. Ce chercheur est un des plus grands spécialistes au monde dans le domaine des processus de diffusion des électrons lents et sa venue au Centre est très attendue.

Relations avec les autre centres oeuvrant dans le même domaine au Québec ou ailleurs

Les intérêts du groupe de recherche sur les couches minces (G.C.M.) de l'Université de Montréal recouvrent partiellement ceux du C.R.P.S surtout en ce qui concerne le secteur des semiconducteurs III-V. Cependant, les composés étudiés, la méthode de fabrication submicronique et les moyens d'étude physiques du C.R.P.S. sont différents et complémentaires à ceux du G.C.M. Globalement, on peut noter qu'au C.R.P.S. un accent plus prononcé est mis sur les études physiques à caractère fondamental (très basses températures, champ magnétique intense, infrarouge lointain, pression, mesures femtosecondes...). Nos objectifs à moyen terme d'élaboration de structures mixtes (supraconducteur-semiconducteur, ferroélectrique-semiconducteur) de taille nanométrique nous distinguent aussi du G.C.M. Les activités du Centre de recherche sur la physique des matériaux (C.P.M.) de l'Université McGill se concentrent surtout sur l'étude des processus hors d'équilibre, tant du point de vue de la fabrication des matériaux que du point de vue de la compréhension fondamentale. Un des membres de ce Centre est en étroite collaboration avec une de nos équipes expérimentales et nous prévoyons peut-être en intégrer un autre. Le Centre entretient aussi des relations avec l'IREQ et avec l'École polytechnique de Montréal. A l'échelle canadienne, le Centre est étroitement relié au programme de recherche en supraconductivité de l'Institut canadien de recherches avancées qui regroupe des chercheurs de plusieurs universités canadiennes, principalement McMaster et U.B.C. Les collaborations avec le C.N.R.C. et Bell Northern Research à Ottawa ainsi qu'avec MITEL à Bromont vont en s'intensifiant. Depuis le début de son existence, le Centre entretient des relations étroites avec le laboratoire de recherche en physique des solides de l'Université Paris-Sud (Orsay) et il faut aussi noter les relations qui devraient se développer avec l'Université de Glasgow, le Max-Planck Institüt (Stüttgart), l'Université de Barcelone et avec le groupe industriel France-Télécom. Evidemment, nos chercheurs collaborent aussi avec plusieurs collègues un peu partout dans le monde. Subventions de coopération internationale: Le Centre vient d'obtenir une des prestigieuses subventions de coopération internationale du fonds FCAR. Il entend ainsi intensifier ses relations avec Orsay et aussi avec plusieurs autres Centres au Japon, en France et aux Etats-Unis. Deux étudiants ont obtenu des bourses FCAR pour la collaboration avec l'étranger: M. Hébert pour la France (Diep à Cergy-Pontoise) et P. Dufour pour l'Allemagne (Max-Planck).