Les composés étudiés

La principale caractéristique du groupe est d’étudier des systèmes modèles pour la théorie des systèmes électroniques corrélés. Différents types de matériaux attirent notre attention :

  • les matériaux moléculaires dont la méthode de synthèse assure la qualité cristalline et que l’on étudie car ce sont des systèmes de dimensionalité 1 ou 2.
  • les oxydes à valence mixte qui eux sont des systèmes tridimensionnels par excellence.
  • les nanotubes de carbone, systèmes unidimensionnels modèles étudiés par RMN.
  • Les systèmes de type graphène (nouvelle activité).
  • les couches minces d'oxyde sous pression et/ou fort champ magnétique.

Il y a quelques années, nous avons aussi étudié les systèmes à échelles de spins : comme leur nom l’indique, leur structure en échelle permet un état intermédiaire entre la dimension 1 et la dimension 2.

Les matériaux moléculaires

Le domaine phare du groupe est constitué par les matériaux moléculaires. C"est le sujet historique du groupe, la supraconductivité organique ayant été découverte dans (TMTSF)2PF6 (cf. logo en haut à gauche) dans le groupe fin 1979 par M.Ribault, D.Jérome et A.Mazaud avec une température critique de 0,9 K sous une pression de 9,5 kbar. Ce composé venait d"être synthétisé par K.Bechgaard, chimiste danois (D.Jérome, A.Mazaud, M.Ribault, and K.Bechgaard, J. Phys. Lett. ( Paris) 41 (1980) L45 ).

L’origine du domaine remonte aux années 1960. La réalisation d"un fil électronique unidimensionnel n"était pas envisageable à l’époque à l'aide des techniques de la microélectronique, les progrès sont alors venus un peu par hasard grâce au développement de matériaux organiques susceptibles de conduire le courant électrique comme des métaux. C"est Bill Little, théoricien à Stanford University qui proposa en 1964 un modèle de matériaux moléculaires qui devaient être non seulement des métaux organiques mais aussi des supraconducteurs à des températures bien supérieures aux températures critiques des supraconducteurs de l'époque. Les matériaux proposés par Little, des chaînes conjuguées polymérisées, n'ont jamais pu être synthétisés par les chimistes et bien sûr la supraconductivité n'a pu y être stabilisée mais ils ont incontestablement influencé les développements ultérieurs tant théoriques que expérimentaux qui ont vu leur aboutissement avec la découverte de la supraconductivité organique en 1980 dans les sels de Bechgaard suivant le travail de J.M.Fabre à Montpellier. Les matériaux découverts par K.Bechgaard et ses collègues de l"Université de Copenhague en 1979 sont en fait le fruit d"une coopération étroite entre chimistes et les physiciens du solide en France qui avait débuté au début des années 70. Nous sommes là en présence d'un exemple typique où la coopération entre deux disciplines qui ne sont pas nécessairement étroitement liées a produit des résultats scientifiques du plus haut insert tant pour la chimie que pour la physique.

La ligne noire sur la figure montre l"évolution de la température critique supraconductrice des composés organiques avec le temps.

Dans les familles jumelles (TMTTF)2X et (TMTSF)2X, on peut rencontrer des phénomènes physiques aussi divers que l'état isolant de Mott, l'état spin-Peierls, l'état antiferromagnétique, l'état onde de densité de spin, l'état ferroélectrique, l'effet Hall quantifié et la supraconductivité. De plus, ces états fondamentaux peuvent cœxister. D'autre part, à haute température, on peut observer des transitions de dimensionalité de 1D vers 2D puis 3D.

D'autres composés ont été longuement étudiés, ce sont les conducteurs de la famille κ-(BEDT-TTF)2X qui présentent un état isolant de Mott, un état antifferomagnétique ou un état supraconducteur, leur état métallique n"étant pas très habituel.

Enfin, de nouvelles familles attirent notre attention, la famille δ-(EDT-TTF-CONMe2)2X ou la famille (o-Me2TTF)2X pour lesquelles, la bande est quart-remplie. Ceci implique l'existence d"un ordre de charge (état ferroélectrique). La question est ici de savoir si le demi-remplissage de bande (obtenu pour les deux familles précédentes) est la condition nécessaire pour obtenir un état supraconducteur. Cette activité est soutenue par l"Agence Nationale de la Recherche dans le cadre des projets "CHYRASYM"(2005-2008) puis '3/4-FILLED’ (2009-2011).

Les principales études portent donc sur :

  • La compréhension de l'origine de la supraconductivité.
  • La cœxistence entre phases électroniques.
  • L'influence du remplissage de bandes sur la physique des composés.
  • La transition de Mott métal-isolant.

Les oxydes à valence mixte

La transition isolant de Mott - métal existe dans beaucoup de systèmes électroniques et est le phénomène de base de la physique des fermions corrélés. Dans ce domaine, la physique des systèmes moléculaires est parfois très complexe et certains systèmes tels que les oxydes à valence mixte sont des systèmes ‘archétypes’ de la transition de Mott. De plus, leur structure plus tridimensionnelle comme V2O3 en fait un système modèle où les effets de basse dimensionalité sont absents.

L’objet de notre étude porte sur une meilleure compréhension de cette transition isolant de Mott – métal par mesures de transport et mesures ultra-sonores.

Evolution de la résitivité au voisinage du point critique de la transition de Mott dans V2O3.

Les nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone sont des systèmes unidimensionnels par excellence. Dans le groupe, la RMN est utilisée pour sonder leurs propriétés remarquables.

nanotube de carbone bi-feuillet étudié dans le groupe.

Les systèmes de type graphène

Les systèms dits de type graphène sont des semiconducteurs à gap nul pour lesquels la relation de dispersion est linéaire au voisinage du niveau de Fermi alors que dans un semiconducteur usuel, elle est quadratique. La première conséquence est que les fermions sont sans masse (équivalent à des photons en physique des particules). Ceci se traduit par des propriétés originales tels qu'un effet Hall quantique avec des plateaux évoluant en B1/2 au lieu de linéaire en B. Les différents systèmes présentant ces aspects sont le graphène, le composé moléculaire -(BEDT-TTF)2I3 ou les composés à base de bismuth.