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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. Kamerling-Onnes. Bednorz,Mueller. Genève, Sherbrooke,Orsay. 1986. 1911. 2001. - PowerPoint PPT Presentation
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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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cette image.
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