Phénomènes critiques quantiques dans les isolants de Mott dopés – QCM

L'objectif scientifique du projet QCM est de mieux appréhender les phénomènes critiques quantiques et leurs liens avec des états métalliques non conventionnels. Nous souhaitons en particulier caractériser les propriétés électroniques de tels systèmes afin d'être à même d'identifier des phases non-liquide de Fermi dans des matériaux à fortes corrélations.
Tandis que des mesures préliminaires ont révélé des comportements critiques quantiques et des signatures non-liquide de Fermi dans l'oxyde de cobalt (BiBa0.66K0.36O2)CoO2, nous souhaitons étudier plus avant les propriétés en fonction du champ magnétique aux très basses températures (T<4 K). En effet, de telles mesures nous permettront de déterminer précisément des lignes de crossover entre liquide et non-liquide de Fermi, des comportements en lois de puissance caractérisant le transport et le coefficient de Sommerfeld. En plus, des grandeurs importantes telles que le rapport de Kadowaki-Woods pourrons être analysées, en particulier en régime critique quantique, de même que les propriétés d'échelle.
La seconde partie du projet QCM requiert de synthétiser de nouvelles compositions d'oxydes de titane. En effet, tandis que le système de type pérovskite R1-xAxTiO3 figure parmi les plus fameux exemples de transition de Mott induites par le dopage, il apparaît que seule la solution solide non dopée (R1-yR’y)TiO3 aient été étudiées. Ainsi, le dopage d'un tel système nous permettra d'explorer de nouvelles régions du diagramme de phase en caractérisant systématiquement leurs propriétés électriques, thermiques et thermodynamiques en fonction de la température, du dopage et du champ magnétique. Cette étude pourrait ainsi permettre de mieux comprendre l'effet de la compétition entre ferromagnétisme et antiferromagnétisme dans les isolants de Mott dopés, mieux appréhender les phénomènes critiques quantiques dans ces systèmes voire révéler de nouvelles phases métalliques.

Nous avons étudié les propriétés spectroscopiques infra-rouge dans l'oxyde de cobalt à fortes corrélations [BiBa0.66K0.36O2]CoO2. Ces mesures réalisées sur un monocristal nous ont permis de déterminer la conductivité optique en fonction de la température. En plus d'un transfert de poids spectral fortement dépendant de la température, un mode de basse énergie non conventionnel a été mis en évidence. Nous avons alors montré que sa fréquence propre et son taux de diffusion étaient directement proportionnels à la température. En fait, une analyse assez directe a démontré que la totalité de ce mode suivait un comportement d'échelle en fonction de la fréquence divisée par la température, et ce jusqu'à température ambiante. Ce comportement suggère ainsi des excitations de basse énergie de type non-liquide de Fermi découlant d'une criticalité quantique.

Nous étudions à l'heure actuelle la synthèse de la solution solide non-dopée (R1-yR’y)TiO3 ainsi que ces propriétés électroniques en se focalisant sur les propriétés magnétiques afin de clarifier le diagramme de phase magnétique.

«omega/T scaling of the optical conductivity in strongly correlated layered cobalt oxide «; Limelette, P.; Phuoc, V. Ta; Gervais, F.; et al.
PHYSICAL REVIEW B 87, Issue: 3, 035102 (2013 ).

La matière quantique à forte corrélation électronique recèle des propriétés remarquables des plus étonnantes lorsqu’elle découle d’une criticalité quantique. Conduisant à des comportements non-liquide de Fermi ou à une supraconductivité non-conventionnelle, ces fluctuations quantiques résultent de la présence de points critiques quantiques. Localisés à température nulle, ces points critiques quantiques sont la conséquence d’interactions en compétition qui peuvent être modifiées à l’aide d’un paramètre de contrôle tel que la le dopage ou le champ magnétique. Tandis que les métaux dits à Fermions lourds se sont imposés comme des matériaux prototypes pour étudier ces phénomènes, certains oxydes de métaux de transition tels que les ruthénates ou les cuprates supraconducteurs ont également révélé des propriétés étonnantes associées à des comportements critiques quantiques. La plupart de ces oxydes ont de plus en commun d’être des isolants de Mott dopés, i.e leur métallicité résulte de l’introduction de porteurs de charges additionnels par un dopage, à défaut de quoi la répulsion coulombienne localise les électrons pour former un état isolant de Mott.
Dans ce contexte, le projet QCM est un programme de recherche fondamentale dans le domaine de la physique de la matière condensée. Il ambitionne d’étudier les phénomènes critiques quantiques dans les isolants de Mott dopés dans le but de caractériser des phases métalliques inhabituelles voire nouvelles, i.e au-delà du paradigme du liquide de Fermi.
Pour ce faire, nous souhaitons étudier deux types d’isolants de Mott dopés incluant tout d’abord un oxyde de cobalt quasi-bidimensionnel. En plus de leur fort pouvoir thermoélectrique à température ambiante, les cobaltates de formule générique AxCoO2 ont révélé un diagramme de phases très riche de même que des propriétés des plus remarquables. Celles-ci ont d’ores et déjà conduit à conjecturer une possible influence de points critiques quantiques sur des bases théoriques et expérimentales. Ainsi, des résultats récents ont mis en évidence une criticalité quantique induite sous champ magnétique dans le composé métallique [BiBa0.66K0.36O2]CoO2, en étroite analogie avec les propriétés observées dans le métal à fermions lourds YbRh2[Si0.95Ge0.05]2. Nous proposons notamment de caractériser les propriétés de transport électrique et de chaleur spécifique jusqu’aux très basse températures, soit 0.4 K, et ce en fonction du champ magnétique. Ceci permettra alors de déterminer les exposants critiques nécessaires à la discussion sur l’universalité et la nature de cette criticalité quantique non conventionnelle.
D’autre part, nous souhaitons élaborer des titanates de formules génériques (R1-yR’y)1-xAxTiO3, avec les ions trivalents (R,R’) et l’ion divalent A, afin d’en caractériser les propriétés électroniques. Ces compositions présentent en effet un intérêt tout particulier car les ions (R,R’) peuvent être choisis de sorte que l’un favorise des interactions antiferromagnétiques (AF) et l’autre, des interactions ferromagnétiques (F) aux basses températures. L’on peut alors s’attendre, pour des proportions données (R,R’) où les interactions AF et F sont en compétition, à observer des comportements critiques quantiques en fonction du dopage x et/ou du champ magnétique. L’on doit ici souligner que cette deuxième partie du projet QCM constitue vraisemblablement la plus ambitieuse. Elle requiert en effet la synthèse de nouvelles compositions d’oxydes de titane. En fait, alors que la famille R1-xAxTiO3 constitue un des systèmes les plus connus parmi ceux réalisant une transition métal-isolant due aux corrélations, il apparaît que seules les solutions solides non dopées (R1-yR’y)TiO3 ont été étudiées. La réalisation de tels composés dopés permettra alors d’explorer de nouvelles régions de leur diagramme de phase en caractérisant leurs propriétés électriques, thermiques et thermodynamiques en fonction de la température, du champ magnétique et du dopage.