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

1911 2001

Kamerling-Onnes Genève, Sherbrooke,Orsay

1986

Bednorz,Mueller

Evolution des Tc

k

k

k

+kF

Surfaces de Fermi 3D et 1D

Discontinuité de la distribution éléctronique n(k)

1D k

⊥k

⊥k

.-kF.

Q = 2kF

Hg

TMTSF2PF6

Jacques Friedel 2001

Les A15, des unidimensionnels 3D

V3Si, Nb3Sn

Weger, Rev Mod, Phys, 1964

Conference on high pressure and low temperature physicsCleveland 1977

Les précurseurs

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

Superconductivity, B.C.S,1957 and Little,1964

BCS theory, 1957

Tc ≈θD exp− 1λ( )

λ =NFV ≈ 0.1− 0.4λ is mass independent

θ D ≈100K ∝ 1M

Isotopic effect in the BCS theory

Molecule of Little, 1964

Lattice polarizationElectronic polarization

Tc ⇒ 300K !!

θ D ⇒ EF

. .

1969

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

KCP: le premier unidimensionnel, Peierls et Kohn

K2Pt(CN)4Br 0.33 H20

Comes, Renker,Shirane, 1972

Le sel de Krogmann KCP

T>Tcm T<Tcm

H. Schulz1980

Remplissage incommensurable

Diffraction diffuse des rayons X

TTF° + TCNQ°----->TTF+ρ TCNQ-ρ

2 ° + TMTSF X- -----> TMTSF2 + X e-

Charge transfer compounds and organic salts

+

+

F.Wudl, D.Cowan, A.Garito and A.Heeger

1973

1979 Bechgaard

Conducteur organique:TTF-TCNQ

2 types de chaînes conductrices, elec et trous

Z.Z.Wang, J.C.Girard,C.Pasquier., D.Jérome,K.Bechgaard

Phys.Rev.B,67, R121401 (2003)

TCNQ

2kF =ρ πb

2kF Peierls distortion, Tp=54K

TTF-TCNQ: 2-chain charge - transfer compound

An attempt towards organic superconductivity,1973

F.Denoyer et al PRL,35,475,1975

Soft phonon mode-Kohn anomalyHeeger ’s group, Solid State Comm,1973

χu(2k

F,T ) =

1

1− λ2epχ e (2k

F, T)

ρ0 300

TTF

Walter Kohn 2003

Conference de Cleveland, 1976 Bernd Matthias

Commensurabilité sous pression

La transition de Peierls ne peut être supprimée par la pressionRôle stabilisateur des intéractions Coulombiennes interchaines

TTF-TCNQ: Froehlich fluctuating conduction

Loss of // in thecommensurability

domain: 14-19 kbar

x 3 commensurabilityλb=3b

Commensurability

pinning

D.J and H.J.Schulz, Adv in Physics, 31,299,1982

Preuve de l’existence de fluctuations de Frohlich

Molecular resolution of TTF-TCNQ ab plane at T=63K

CDW on TTF-TCNQ ab plane at T=35.6K

From Z.Z.WangISCOM ’01 and PRB 67,121401,2003

PeierlsCDW orderingλb=3.39b, λa=4a

Imaging TTF-TCNQ

TCNQTTF

View along the c-axix T=63K

TTF-TCNQ : STM view

Zhao Zhou Wang et al

T=33K

b*

a*

Peierls transition at 53Kon TCNQ chains

Full ordering at 38K2kF and 4a

Fourier transform at T=49Kλb=3.6b, λa=2a on TCNQ chains

TMTSF-DMTCNQ, un composé charnière, 1979

ρ = 0.5 détérminé par diffusion X

K.Bechgaard, JACS. 1981,103,2440

electrolyteBu4N+PF6

–

TMTSF TMTSF•+– e–

2(TMTSF) + PF6- --------> [(TMTSF) 2 PF6]

at anodeNon aquous solvent (pure):THF

-e

Electrocrystallization/Bechgaard

film

The Bechgaard salt: TM2X:

TMTTF : atoms S (Fabre)TMTSF : atoms Se (Bechgaard) 1979

1/2 hole per organic cation molecule

-->One dimensional conductorwith finite transverse coupling-->Quarter filled band

c

b

TMTSF

(TMTSF)2X, X=PF6-,…. ClO4

-,.

c

a

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1D Fermi surface

Sructure tricliniqueavec dimerisation suivant a

Q = (0.5a*) 2kF, 0.25 b*

La supraconduction organique

D.J, M,Ribault,J.Mazaud and K.Bechgaard, 1980 Garoche, Brusetti, Jérome, Bechgaard, 1982

La supraconductivité organique

AntiferroItinérant

SDW

SC

Coexistence isolant/supraP

T

métal

Articles de revues récents sur les 1D ’s :C.Bourbonnais et D.Jérome, Adv in Synth Metals, p206-261, Elsevier, 1999D. Jérome , Chemical Reviews, vol 104, p 5565 (2004)

Hall resistance quantized : ρxy=1/n (h/2e2)In high fields : N=0 phase : SDW , ρxy=unknown, ρxx

H(T)

Magnetic fields: Quantum Hall Effect in a bulk material

(T.Vuletic,thesis,2000))

0.410 K

4 6 8 10 120

20

40

600.370 K

0

5

10

345 2

-2

J.R.Cooper et alPRL,63,1984,1989

P=8.5 kbar

Rxx

Rxy

longitudinal resistance :ρxx0

N=0

Le diagramme générique TM2X

D.JThe physics of organic superconductorsScience 252, 1509, 1991

Spin-charge separation in Fabre-Bechgaard salts

Transport and susceptibility in TM2X

ρ degrees of freedom decoupled from

ρ(

cm)

Tρ

Tρ

TSDW

TSC

C.Bourbonnais Cargese School

Irsee 1991 Gordon conference

Excitations électroniques 3D/1D

1D

3D

Collective modes

1D Physics, power laws

Nesting : ε(k) = −ε (k + 2kF )

Pseudo gap at Fermi levelDecoupled collective modes, spin and charge

1D Fermi liquid

(k)

k

(k)

k

χln EF/T=> finite Tc !!

Peierls BCSMixture

χDW

2kF,T( ) = T

Kρ −1

χSC

T( ) = T1

K ρ− 1

T → 0

α =1

4(K

ρ+

1

Kρ

− 2)

Luttinger liquids

=> No phase transition in the 1D interacting gas

D()

α

EF

(case of TM2X)

Commensurability 4 Kρ critic=0.2

More repulsive interactions needed for a Mott insulatorin 1/4 filled band

Quarter-filled 1D band

Commensurate 1D conductor, quarter filled band

g3= Umklapp interaction (commensurability, q and lattice)=> Mott localisation

Renormalization flowKρ < Kρ critic

⇒ Mottinsulator

Kρ critic

Quantum Physics in One DimensionT.G Oxford Press (2004)

Interaction

T.Giamarchi

De l’isolant de Mott au conducteur 2D/3D

Insulator

« Metal 2D »Ligne de déconfinement 1D

« Liquide de Fermi »à basse T

??Tunnelling

nodelessThermal conductivity

nodelessSpecific heat (Cv)

T3 law? NMR 1/T1

Triplet SCNMR Knight shift

2.2 T1.8 T

5 T?5 T ?

4-5 T7 T ?

0.16 T0.2 T

1.2 K0.9 KTc

@ 1 bar @ 9.5kbar

La supraconductivité organique 1D (TM)2X

62 PF(TMTSF)42 ClO(TMTSF)

ccH 20μ

'20 bcHμ

acH 20μ

BCSPH0μ

Supra p ?

Supra p, d ou (d puis p)?La controverse fait rage!!

Non magnetic impurities nodes Non conventionnelle

Quelques supras d’actualité

100

13

22

-(BEDT-TTF)2X

40

Tem

per

atu

re

Pressure

AF

SC

MI Metal

SCD8-Br

H8-Br

Cu(NCS)2

I3H8-Cl

AF

Metal

SCSC

Electron dopingHole doping

Organique ou non ?

Ce qu’en pense Anderson

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 tripletLe 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?

La supraconductivité organique

)21()

221()ln( 00 Ψ−+Ψ=

C

C

C

C

TT

TT

πα02 CBTkτα h=

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

(TMTSF)2(ClO

4)1-x

(ReO4)x

x = 10 %

x = 0

(TMTSF)2ClO

4

Résistivité (

. )cm

( )Température K

Introduction d’impuretés non magnétiques

N.Joo et al, EPJB (2004)N.Joo et al, soumis a EPL

Composé organique 2D

Plan conducteur

Régions isolantes

Plan conducteur

-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br

Phase -(BEDT-TTF)2X

phase

1/2 remplissage

Isolant de Mott

13

22

-(BEDT-TTF)2X

40

Tem

per

atu

re

Pressure

AF

SC

MI Metal

SCD8-Br

H8-Br

Cu(NCS)2

I3H8-Cl

0 50 100 150 200 250 3000

50

100

150

200

?-(BEDT-TTF) 2X

Cu(NCS) 2

D8-Br

H8-Br

I3

?c( . )Ohm cm

Temperature (K)

Réseau triangulaire => frustration magnétique

‘Haut-Tc’ : Tc,max=13 K

2 thèses: Lefebvre, Limelette

Power law / Exponential

Power law/ Exponential

Penetration depth

nodesTunnelling

Power lawThermal conductivity

ExponentialT2 law/Exponential

Specific heat (Cv/T)

T3 lawNMR 1/T1

Singlet SCNMR Knight shift

17.3 T21.3 T

35 T40 T ?

5.2 T10 T

9.4 K11.6 KTc

NCSBr

La supraconductivité organique

-(BEDT-TTF)2X

⊥20 cHμ

//20 cHμ

BCSPH0μ

Hc2//>HP

Supra dCertains groupes voient s

13

22

-(BEDT-TTF)2X

40

Tem

per

atu

re

Pressure

AF

SC

MI Metal

SCD8-Br

H8-BrCu(NCS)2

I3H8-Cl