Le sujet de cette thèse est la théorie à partir des premiers principes de la structure électronique de matériaux présentant de fortes corrélations électroniques. D’importants progrès ont été faits dans ce domaine grâce aux implémentations modernes de Théorie de la Fonctionelle de Densité (DFT). Néanmoins, la méthode DFT a certaines limitations. D’une part, elle est faite pour décrire les propriétés de l’état fondamental mais pas des états excités des matériaux, bien que ces derniers soient également importants. D’autre part, les approximations de la fonctionnelle employées en pratique réduisent la validité de la DFT, conceptuellement exacte : en particulier elles décrivent mal les matériaux aux effets de corrélations les plus importants.Depuis les années 1990, différentes théoriques quantiques à N corps ont été utilisées pour améliorer ou compléter les simulations à base de DFT. Une des plus importantes est la Théorie du Champ Moyen Dynamique (DMFT), dans laquelle un modèle sur réseau est relié de manière auto-cohérente à un modèle plus simple d’impureté, ce qui donne de bons résultats à condition que les corrélations soient principalement locales. Nous présentons brièvement ces théories dans la première partie de cette thèse. Les progrès récents de la DMFT visent, entre autres, à mieux décrire les effets non-locaux, à comprendre les propriétés hors équilibre et à décrire de vrais matériaux plutôt que des modèles.Afin d’utiliser la DMFT pour décrire de vrais matériaux, il faut partir d’un calcul de structure électronique traitant tous les électrons au même niveau, puis appliquer une correction traitant les effets à N corps sur un sous-espace de basse énergie d’orbitales autour niveau de Fermi. La définition cohérente d’un tel sous-espace nécessite de tenir compte de la dynamique des électrons en-dehors de cet espace. Ces derniers, par exemple, réduisent la répulsion de Coulomb entre électrons dans le sous-espace. Néanmoins, combiner la DFT et la DMFT n’est pas aisé car les deux n’agissent pas sur la même observable. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions les modèles de basses énergies, comme la technique échange écranté + DMFT récemment proposée. Nous analysons l’importance de l’échange non-local et des interactions de Coulomb retardées, et illustrons cette théorie en l’appliquant aux états semi-cœur dans les métaux d10 Zn et Cd.Dans la dernière partie, nous utilisons ces méthodes pour étudier trois matériaux corrélés importants d’un point de vue technologique. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la physique des mono-lacunes dans la phase paramagnétique du fer. De façon surprenante pour un défaut aussi simple, son énergie de formation n’a toujours pas été obtenue de manière cohérente par la théorie et l’expérience. Nous démontrons que cela est dû à de subtils effets de corrélations autour de la lacune dans la phase paramagnétique à haute température : cette phase est plus fortement corrélée que la phase ferromagnétique, où des calculs de DFT ont été faits.Dans un deuxième temps, nous étudions la transition métal-isolant dans la phase métastable VO2 B. Nous montrons que cette transition ressemble à celle entre la phase conventionnelle rutile et la phase M2 de VO2, mettant en jeu à la fois des liaisons covalentes dans les dimères et une transition de Mott sur les atomes V restants. Nous étudions également l’effet de lacunes d’oxygène sur la structure électronique de VO2.Enfin, nous proposons une technique au-delà de la DFT pour calculer le champ cristallin dans les oxydes et alliages de terres rares. Bien que l’amplitude de ce champ soit faible pour les orbitales localisées 4f des lanthanides, il est crucial pour leur caractère d’aimant permanent. En modifiant l’approximation Hubbard I pour résoudre les équations de DMFT, nous évitons une erreur d’auto-interaction faible en valeur absolue mais physiquement importante, démontrant l’importance de modèles de basse énergie correctement définis. / The topic of this thesis is the first-principles theory of the electronic structure of materials with strong electronic correlations. Tremendous progress has been made in this field thanks to modern implementations of Density Functional Theory (DFT). However, the DFT framework has some limits. First, it is designed to predict ground state but not excited state properties of materials, even though the latter may be just as important for many applications. Second, the approximate functionals used in actual calculations have more limited validity than conceptually exact DFT: in particular, they are not able to describe those materials where many-electron effects are most important.Since the 1990's, different many-body theories have been used to improve or complement DFT calculations of materials. One of the most significant non-perturbative methods is Dynamical Mean-Field Theory (DMFT), where a lattice model is self-consistently mapped onto an impurity model, producing good results if correlations are mostly local. We briefly review these methods in the first part of this thesis. Recent developments on DMFT and its extensions were aimed at better describing non-local effects, understanding out-of-equilibrium properties or describing real materials rather than model systems, among others. Here, we focus on the latter aspect.In order to describe real materials with DMFT, one typically needs to start with an electronic structure calculation that treats all the electrons of the system on the same footing, and apply a many-body correction on a well-chosen subspace of orbitals near the Fermi level. Defining such a low-energy subspace consistently requires to integrate out the motion of the electrons outside this subspace. Taking this into account correctly is crucial: it is, for instance, the screening by electrons outside the subspace strongly reduces the Coulomb interaction between electrons within the subspace. Yet it is a complex task, not least because DFT and DMFT are working on different observables. In the second part of this thesis, we discuss low-energy models in the context of the recently proposed Screened Exchange + DMFT scheme. In particular, we study the importance of non-local exchange and dynamically-screened Coulomb interactions. We illustrate this by discussing semi-core states in the d10 metals Zn and Cd.In the third and last part, we use the methods described above to study the electronic structure of three fundamentally and technologically important correlated materials. First, we discuss the physics of point defects in the paramagnetic phase of bcc Fe, more precisely the simplest of them: the monovacancy. Surprisingly for such a simple point defect, its formation energy had not yet been reported consistently from calculations and experiments. We show that this is due to subtle but nevertheless important correlation effects around the vacancy in the high-temperature paramagnetic phase, which is significantly more strongly correlated than the ferromagnetic phase where DFT calculations had been done.Second, we study the metal-insulator phase transition in the metastable VO2 B phase. We show that this transition is similar to that between the conventional rutile and M2 VO2 phases, involving both bonding physics in the dimer and an atom-selective Mott transition on the remaining V atoms. Motivated by recent calculations on SrVO3, we study the possible effect of oxygen vacancies on the electronic structure of VO2.Finally, we propose a scheme beyond DFT for calculating the crystal field splittings in rare earth intermetallics or oxides. While the magnitude of this splitting for the localized 4f shell of lanthanides does not typically exceed a few hundred Kelvin, it is crucial for their hard-magnetic properties. Using a modified Hubbard I approximation as DMFT solver, we avoid a nominally small but important self-interaction error, stressing again the importance of carefully tailored low-energy models.

Emergent electronic phenomena in iron-based superconductors have been at the forefront of condensed matter physics for more than a decade. Much has been learned about the origins and intertwined roles of ordered phases, including nematicity, magnetism, and superconductivity, in this fascinating class of materials. In recent years, focus has been centered on the peculiar and highly unusual properties of FeSe and its close cousins. This family of materials has attracted considerable attention due to the discovery of unexpected superconducting gap structures, a wide range of superconducting critical temperatures, and evidence for nontrivial band topology, including associated spin-helical surface states and vortex-induced Majorana bound states. Here, we review superconductivity in iron chalcogenide superconductors, including bulk FeSe, doped bulk FeSe, FeTe1−xSex, intercalated FeSe materials, and monolayer FeSe and FeTe1−xSex on SrTiO3. We focus on the superconducting properties, including a survey of the relevant experimental studies, and a discussion of the different proposed theoretical pairing scenarios. In the last part of the paper, we review the growing recent evidence for nontrivial topological effects in FeSe-related materials, focusing again on interesting implications for superconductivity.

Dans ce travail, une nouvelle voie pour le calcul de la fonction de Green (GF) à une particule a été développée. L' objectif est de remédier aux défauts de nombreuses autres approches à plusieurs corps, par exemple l'approximation GW (GWA), dans le traitement des forts effets de corrélation dans les solides. L'idée consiste à résoudre un ensemble d'équations différentielles fonctionnelles et non-linéaires, qui sont centrales à la théorie des perturbations à plusieurs corps. Dans un premier temps, ce qu'on appelle le modèle à un 1-point est employé (une seule valeur pour chaque variable d'espace, temps, spin est retenue) et l'ensemble des équations se réduit alorsà une seule équation algébrique, pour laquelle une solution exacte et explicite est obtenue. La solution est utilisée comme outil de référence pour analyser les performances des autres méthodes bien établies (par exemple, des versions différentes de GW). Par ailleurs, des approximations alternatives sont conçues et pour les plus prometteuses la généralisation à la forme fonctionnelle (complète) est discutée. La dernière partie de cetravail aborde la généralisation de l'approche au-delà du cadre à1-point. Tout d'abord la dépendance en fréquence de la GF est restaurée (tout en conservant le modèle à un 1-point pour les variables d'espace et despin) et l'ensemble des équations est résolu. Il est montré que dans un tel cadre, il est possible de retrouver ce que l'on appelle "l'expansion en cumulants" pour GF- une approximation qui va au-delà de GW et fournit des fonctions spectrales en bon accord avec les expériences de photo-émission . Enfin, à l'aide d'un ansatz, une famille de solutions pour les equations dans leur forme fonctionnelle est obtenue et des moyens sont proposés, allant bien au delà de l'état de l'art, afin d'obtenir des approximations pour celles ayant une signification physique.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der elektronischen Struktur von Bi-Kupraten vom Normalzustand bis in den supraleitenden Zustand. Der Normalzustand von einschichtigen Bi-Kupraten wurde mittels polarisationsabhängiger XAS untersucht. Es konnte eine deutliche Polarisationsabhängigkeit der CuL3- und OK-Kante innerhalb der Kupferoxidebene beobachtet werden. Insbesondere in den Merkmalen, die den dotierten Löchern zugeordnet werden. Die Winkelabhängigkeit geht über die erwartete Hybridisierung von Cu3dx^2-y^2- und O2px,y-Orbitalen hinaus, und unterstützt somit Theorien, die auch Orbitale ausserhalb der Kupferoxidebene zur Beschreibung der elektronischen Struktur einbeziehen. Desweiteren wurde beobachtet, dass die Ladungs-Transfer-Lücke sich mit steigender Lochkonzentration vergrößert konform zu Theorien zum Zusammenbruch der Zhang-Rice-Singuletts im überdotierten Bereich. Mittels ARPES wurden die Anregungen nahe der Fermikante in antinodaler Richtung an zweischichtigen Bi-Kupraten untersucht. Die komplexe Linienform im zweischichtigen Bi-Kuprat, die aus Interlageneffekten resultiert, wurde durch die gezielte Ausnutzung von Matrixelementeffekten vereinfacht. Dadurch konnten, in Kombination mit der spezifischen Ausrichtung der Polarisation, vorherige, sich scheinbar widersprechende Beobachtungen am einschichtigen und zweischichtigen Bi-Kuprat in Einklang gebracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass im zweischichtigen Bi-Kuprat eine Anregung zusätzlich zum bindenden und antibindenden Band existiert, welche mit dem antibindenden Band korreliert zu sein scheint. Außerdem zeigt es Gemeinsamkeiten mit dem scharfen Peak, der im einschichtigen Bi-Kuprat gefunden wurde. So besteht es über die supraleitende Sprungtemperatur Tc hinaus, und verschwindet vermutlich bei oder über der Pseudolücken-Temperatur T*. Die ARPES Messungen lassen sich am Besten innerhalb des Modells elektronischer Inhomogenitäten erklären, welches Hochtemperatursupraleitung aus Streifen ableitet. / The electronic structure of Bi cuprates from the normal state down to the superconducting state has been investigated. The normal state electronic structure is probed by polarization dependent XAS on single layer Bi cuprates. With the x-ray beam being incident normal to the CuO2 plane the azimuthal angle was varied to explore the polarization effects on orbitals within the plane. In the CuL3- as well as the OK-edge spectra, the spectral features related to the doped holes showed a distinct polarization dependence within the CuO2 plane. The revealed polarization dependence is more complex than expected from hybridization of Cu3dx^2-y^2 and O2px,y orbitals only. Thus, the results support the inclusion of out-of-plane orbitals into the description of the electronic structure as has been previously theoretically proposed. Furthermore, the charge transfer gap has been observed to rise with rising hole concentration supporting theories of the instability of Zhang-Rice-singlets in the overdoped regime. By ARPES the excitations close to the Fermi surface in the antinodal region of double layer Bi cuprates have been investigated. The complex lineshape in double layer Bi cuprates that results from interlayer effects has been disentangled by exploiting matrix element effects. In combination with distinct polarization settings this enabled to unify seemingly inconsistent observations made on single and double layer Bi cuprates. The existence of an excitation additional to antibonding and bonding band could be shown in the double layer Bi cuprate. This additional excitation is probably connected to the antibonding band. It furthermore shows similarities to the sharp peak observed in single layer Bi cuprates. It persists to temperatures above the superconducting temperature Tc, and presumably vanishes at or above the pseudogap temperature T*. The ARPES results could be best explained within the model of electronic inhomogeneity which derives superconductivity from stripes.

Cette thèse traite du développement et de l’implémentation de nouvelles méthodes visant à décrire la corrélation électronique forte dans les molécules et les solides. Après avoir introduit l’état de l’art des méthodes utilisées en chimie quantique et en physique de la matière condensée, une nouvelle méthode hybride combinant théorie de la fonction d’onde et théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est présentée et s’intitule “site-occupation embedding theory” (SOET). Celle-ci est appliquée au modèle de Hubbard à une dimension. Ensuite, le problème du gap fondamental est revisité en DFT pour les ensembles, où la dérivée discontinue est réécrite comme une fonctionnelle de la densité de l'état fondamental. Enfin, une extension à la chimie quantique est proposée, basée sur une fonction d’onde de séniorité zéro complémentée par une fonctionnelle de la matrice densité, et exprimée dans la base des orbitales naturelles. / The thesis deals with the development and implementation of new methods for the description of strong electron correlation effects in molecules and solids. After introducing the state of the art in quantum chemistry and in condensed matter physics, a new hybrid method so-called ``site-occupation embedding theory'' (SOET) is presented and is based on the merging of wavefunction theory and density functional theory (DFT). Different formulations of this theory are described and applied to the one-dimensional Hubbard model. In addition, a novel ensemble density functional theory approach has been derived to extract the fundamental gap exactly. In the latter approach, the infamous derivative discontinuity is reformulated as a derivative of a weight-dependent exchange-correlation functional. Finally, a quantum chemical extension of SOET is proposed and based on a seniority-zero wavefunction, completed by a functional of the density matrix and expressed in the natural orbital basis.

Ce mémoire d'habilitation à diriger les recherches présente des théories de champ moyen que j'ai appliquées à l'étude de systèmes d'électrons à fortes corrélations. Il s'appuie sur des travaux que j'ai effectués, pour certains dans la continuité de ma thèse, pour d'autres dans des directions nouvelles. L'une des problématiques centrales est celle des transitions de phases quantiques, et les systèmes considérés ont le point commun de décrire des impuretés quantiques, réelles ou artificielles. Les différentes méthodes de champ moyen utilisées sont présentées par des exemples dans le cadre de problèmes physiques particuliers. Après un premier chapitre introductif fortement focalisé sur l'exemple des composés d'électrons f, ce mémoire est structuré en trois chapitres principaux connectés respectivement aux trois thématiques suivantes : les composés Kondo, les liquides de spin, et les systèmes désordonnés.

Dans les matériaux multiferroïques présentant un couplage magnéto-électrique, il est possible de contrôler l'état magnétique par l'application d'un champ électrique et inversement. Les matériaux multiferroïques de type I présentent des transitions de phase ferroélectrique et de mise en ordre magnétique décorrélées. Dans les matériaux de type II, la ferroélectricité est induite par un ordre magnétique. Malgré l'existence de nombreux modèles, les mécanismes microscopiques du couplage magnéto-électrique restent aujourd'hui mal connus. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié les mécanismes présidant le couplage magnéto-électrique à l'aide de calculs ab-initio sur deux matériaux multiferroïques : YMnO3 (type I) et MnWO4 (type II). Nous avons développé une méthode visant à évaluer le couplage magnétique en fonction d'un champ électrique appliqué. Nous avons également déterminé l'influence du magnétisme sur les spectres de phonons. Pour le composé YMnO3, le couplage spin-orbite est négligeable dans le couplage magnéto-électrique et ce dernier est principalement gouverné par des effets électrostrictifs et magnétostrictifs. Pour le composé MnWO4, bien que la contribution de l'interaction de spin-orbite soit calculée faible dans l'amplitude du couplage magnéto-électrique, cette dernière est cruciale à la multiferroïcité de ce matériau par la structure magnétique qu'elle impose. Nous avons déterminé que les déplacements atomiques engendrés par l'application d'un champ électrique sont les amplificateurs de cette dernière interaction dans l'intensité du couplage magnéto-électrique de MnWO4.

Cette th��se propose une nouvelle impl��mentation de "l'approximation de la phase al��atoire avec polarisation contrainte" (constrained Random Phase Approximation, cRPA). Notre impl��mentation repose sur la th��orie de la fonctionnelle de la densit��, d��velopp��e dans une base d'ondes planes augment��es (linearized augmented plane wave, LAPW). Cette m��thode, appliqu��e �� des mat��riaux fortement corr��l��s, permet de calculer de facon r��aliste la matrice d'interaction coulombienne effective, qui pourra ��tre trait��e par la suite au moyen de l'approche �� N-corps souhait��e. En particulier, les valeurs de l'interaction de Hubbard, U , et de l'��change de Hund, J, sont d��termin��es de mani��re ab initio, ainsi que leur d��pendance en fr��quence qui r��sulte des effets dynamiques de l'��crantage. Comme dans la th��orie du groupe de renormalisation de Wilson, l'interaction coulombienne effective d��pend du choix du sous-espace corr��l�� pour lequel est construit un Hamiltonien effectif de basse ��nergie, alors que les valeurs des observables physiques n'en d��pendent pas. Afin de g��n��raliser la cRPA aux mat��riaux dont la structure ��lectronique exhibe des or- bitales corr��l��es et itin��rantes intriqu��es, une m��thode bas��e sur la projection sur le sous-espace corr��l�� est ��galement introduite. Diff��rentes classes de mat��riaux sont envisag��es comme applications : i) pnictures �� base de fer, LaOFeAs et BaFe2As2, et chalcog��nides, FeSe (Chapitre 6), ii) m��taux de transition 3d afin de valider notre m��thode de projection (Chapitre 6), iii) oxydes de m��taux de transition p��rovskites, SrMO3 (M = V, Cr, Mn, Nb, Mo, Tc), et p��rovskites en couches, Sr2MO4 (M = Mo, Tc, Ru, Rh) (Chapitre 7). L'Hamiltonien d'interaction cRPA est ��galement coupl�� �� la th��orie du champ moyen dynamique (LDA+cRPA+DMFT) afin de d��crire l'isolant de Mott induit par le couplage spin-orbite, Sr2IrO4, et le pigment �� base de terre rare, CeSF (Chapitre 8).

Durant ces dernières décennies, les composés de basse dimensionnalité à gap de spin ont été largement étudiés grâce notamment à l'aide qu'ils peuvent apporter dans la compréhension de la frontière entre le comportement purement quantique d'un spin isolé et le comportement classique d'un ensemble de spins. Parmi ces composés à gap de spin nous pouvons citer les chaînes alternées de spins 1/2, les composés présentant une transition spin-Peierls ou les systèmes comportant un nombre pair de spins avec un couplage d'échange antiferromagnétique (AF) entre eux. Parmi les méthodes d'étude expérimentale de ces systèmes, la Résonance de Spin Electronique (RSE) fait partie des plus puissantes parce qu'elle est très sensible aux interactions anisotropes dans ces composés. Malgré les multiples données RSE obtenues sur ces composés, l'interprétation du profil de variation thermique de la largeur de raie RSE et du facteur g reste quand même problématique à cause de l'absence de théories efficaces. Parmi les théories disponibles, la plus utilisée est celle de Kubo et Tomita qui prédit un rétrécissement par échange de la largeur de raie à température infinie. Plus récemment, Oshikawa et Affleck ont trouvé des formules de la variation thermique de la largeur de raie et du facteur g pour une chaîne homogène de spins 1/2. Une autre méthode pour interpréter les données RSE est de calculer numériquement les paramètres d'absorption du modèle qui décrit le mieux le composé étudié. Ce mémoire rapporte mes travaux de thèse dont le sujet est l'étude, par RSE, de la dynamique des spins dans les composés à base de dimères de spins 1/2, CsV2O5, VO(HPO4)*0.5H2O et KZn(H2O)(VO)2(PO4)2(H2PO4). En étudiant les courbes de résonance RSE en fonction de la température et de l'angle nous avons trouvé que ces composés, dont la susceptibilité magnétique peut être aussi bien décrite par celle d'un ensemble de dimères isolés de spins 1/2 que par celle d'une chaîne AF alternée de spins 1/2, présentent deux régimes de comportement de la largeur de raie en fonction de la température : A haute température les raies de résonance RSE sont rétrécies à cause de l'échange suivant les prédictions de Kubo et Tomita alors qu'à basse température les courbes de résonance RSE s'élargissent et changent de forme (apparition de deux raies de résonance dues à la structure fine). Avec une méthode numérique de calcul des paramètres d'absorption RSE nous montrons que ce profil de la largeur de raie correspond plus à celui présenté par une chaîne AF alternée de spins 1/2.

Cette thèse propose une nouvelle implémentation de "l'approximation de la phase aléatoire avec polarisation contrainte" (constrained random phase approximation, cRPA). Notre implémentation repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, développée dans une base d'ondes planes augmentées (linearized augmented plane wave, LAPW). Cette méthode, appliquée à des matériaux fortement corrélés, permet de calculer de facon réaliste la matrice d'interaction coulombienne effective, qui pourra être traitée par la suite au moyen de l'approche à N-corps souhaitée. En particulier, les valeurs de l'interaction de Hubbard, U , et de l'échange de Hund, J, sont déterminées de manière ab initio, ainsi que leur dépendance en fréquence qui résulte des effets dynamiques de l'écrantage. Comme dans la théorie du groupe de renormalisation de Wilson, l'interaction coulombienne effective dépend du choix du sous-espace corrélé pour lequel est construit un Hamiltonien effectif de basse énergie, alors que les valeurs des observables physiques n'en dépendent pas. Afin de généraliser la cRPA aux matériaux dont la structure électronique exhibe des orbitales corrélées et itinérantes intriquées, une méthode basée sur la projection sur le sous-espace corrélé est également introduite. Différentes classes de matériaux sont envisagées comme applications : i) pnictides à base de fer, LaOFeAs et BaFe2As2, et chalcogénides, FeSe (Chapitre 6), ii) métaux de transition 3d afin de valider notre méthode de projection (Chapitre 6), iii) oxydes de métaux de transition pérovskites, SrMO3 (M = V, Cr, Mn, Nb, Mo, Tc), et pérovskites en couches, Sr2MO4 (M = Mo, Tc, Ru, Rh) (Chapitre 7). L'Hamiltonien d'interaction cRPA est également couplé à la théorie du champ moyen dynamique (LDA+cRPA+DMFT) afin de décrire l'isolant de Mott induit par le couplage spin-orbite, Sr2IrO4, et le pigment à base de terre rare, CeSF (Chapitre 8).