Des mesures de l'effet Nernst dans la phase pseudogap des cuprates YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur y] (YBCO) et ceux de la famille de La[indice inférieur 2]-[indice inférieur x]Sr[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] (LSCO) révèlent la sensibilité de cette sonde à l'apparition du pseudogap à la température T*. Ces mesures d'effet Nernst montrent aussi l'étendue restreinte en température des fluctuations supraconductrices par rapport à la contribution des quasiparticules normales. Ces deux observations permettent l'établissement d'un diagramme de phase dopage-température pour ces matériaux indiquant clairement les limites du pseudogap et des fluctuations supraconductrices. Ces mêmes mesures sur des cristaux d'YBCO et de Nd-LSCO démaclés et orientés dans les deux directions de la structure cristalline orthorhombique, a et b, montrent une importante anisotropie de l'effet Nernst indiquant une brisure de symétrie de rotation apparaissant justement à T*. Une compréhension plus approfondie de cette brisure de symétrie pointe vers une étude complète de l'anisotropie des coefficients de transport électrique et thermoélectrique d'YBCO et du test des relations de réciprocité d'Onsager. L'étude montre que la conductivité de Hall est isotrope et ne viole donc pas la relation d'Onsager en champ magnétique. L'observation d'une anisotropie des coefficients thermoélectriques longitudinaux et transverses indique tout d'abord la présence d'une forte nématicité, ensuite une violation de la relation de Mott. Il est suggéré que le pseudogap des cuprates consiste en une phase nématique de fluctuations d'ordre de charge se stabilisant à basse température et reconstruisant la grande surface de Fermi de trous en une surface anisotrope comportant des poches d'électrons et de trous.

Nous étudions certains aspects de la physique des fermions en deux dimensions, pertinente pour les conducteurs organiques quasi unidimensionnels et les supraconducteurs à haute température critique. En particulier, nous nous intéressons au calcul de la surface de Fermi de systèmes électroniques en interaction, qui est une des informations cruciales du point de vue des propriétés de basse énergie de ces systèmes. Nous commençons par donner une interprétation énergétique, sur un toy model, de la déformation de la surface de Fermi due aux interactions entre électrons, en insistant sur la nécessité d'une méthode auto-cohérente. Puis nous expliquons comment faire le même calcul dans un cadre de théorie des champs, et comment améliorer les résultats grâce à un groupe de renormalisation. Nous appliquons ce formalisme aux composés quasi unidimensionnels. Un des chapitres est un résumé d'un article dans lequel nous analysons la pertinence d'une transition d'un état onde de densité de spin à un état supraconducteur, observée dans les flots de renormalisation d'un modèle de fermions à deux dimensions, dont la surface de Fermi est un carré avec des coins arrondis.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux propriétés électroniques de deux familles de systèmes à fortes corrélations électroniques, les supraconducteurs à haute température critique (cuprates) et les fermions lourds, lorsqu'ils sont soumis à un fort champ magnétique (60 T). Depuis leur découverte en 1986, le diagramme de phase des supraconducteurs à haute température critique reste énigmatique. L'une des questions fondamentales concerne la nature de l'état normal à basse température. Dans la phase surdopée (p>0.16), on retrouve les caractéristiques d'un métal conventionnel, avec notamment une grande surface de Fermi. Dans la phase sous-dopée, les mesures d'ARPES semblent indiquer que la surface de Fermi n'est pas fermée et est seulement constituée d'arcs de Fermi déconnectés et aucune mesure expérimentale n'a permis jusqu'à présent de mettre en évidence une surface de Fermi fermée. En mesurant la résistance de Hall dans deux oxydes de cuivre de type YBCO, nous avons mis en évidence des oscillations quantiques établissant l'existence, à basse température, d'une surface de Fermi fermée et cohérente pour les cuprates sous-dopés. La faible fréquence d'oscillation mesurée indique que la surface de Fermi est constituée de petites poches, en fort contraste avec le grand cylindre observé du côté surdopé. De plus, l'observation d'un effet Hall négatif dans l'état normal à basse température suggère la présence d'électrons dans la surface de Fermi. On discute alors la possibilité qu'une reconstruction de la surface de Fermi entraîne l'apparition de petites poches d'électrons et de trous. Dans un second temps, nous présentons des mesures de magnétotransport et d'effet Nernst dans le fermion lourd URu2Si2 . Il apparaît que la mystérieuse phase ordre caché apparaissant à T <17.5 K soit caractérisée par des porteurs en faible nombre mais très mobiles, pouvant induire l'émergence d'un effet Nernst important. L'application d'un champ magnétique supérieur à 35 T à basse température déstabilise cet ordre et un état métallique plus conventionnel semble être restauré au dessus de 40 T.

L'étude et la connaissance des propriétés électroniques des matériaux ne constituent pas seulement un enjeu technologique : il s'agit aussi d'un problème fondamental. Au delà des isolants et des métaux usuels, il existe des systèmes plus complexes dans lesquels même l'approximation du liquide de Fermi, pourtant fructueuse dans de nombreux cas, est mise en défaut par les fortes interactions.<br /><br />Le cas des premiers oxydes de métaux de transition, pour lesquels les orbitales de valence sont des orbitales 3d, est particulièrement intéressant. Le nombre quantique principal n = 3 est le plus faible autorisé pour la valeur l = 2 du nombre quantique angulaire : ainsi, étant déjà orthogonales aux autres orbitales par leur partie angulaire, les orbitales 3d n'ont pas besoin de noeuds dans leur partie radiale et sont donc assez localisées autour du noyau. La formation de bandes de conduction est possible (malgré le faible recouvrement direct entre orbitales 3d), mais en même temps les porteurs de charge sont soumis à de fortes interactions locales. A cause de ces corrélations, certains oxydes de métaux de transition (comme LaTiO3) sont isolants bien que leur bande 3d ne soit que partiellement remplie et qu'on attendrait donc une conductivité métallique. La localisation électronique peut aussi mener à la formation de moments magnétiques locaux, et l'interaction de ces derniers avec les porteurs de charge mobiles confère aux<br />Manganates leur propriété de magnéto-résistance géante. Enfin, on ne peut ne pas mentionner la célèbre famille des Cuprates CuO, pour lesquelles une supraconductivité haute Tc a été découverte en 1986.<br /><br />Parmi les oxydes de métaux de transition, les Cobaltates dopées au sodium NaxCoO2 suscitent elles aussi un grand intérêt. Leur fort pouvoir thermoélectrique associé à une faible résistivité suggère de possibles applications en réfrigération. Leur diagramme des phases fait apparaître la coexistence d'électrons de conduction et de moments magnétiques localisés, ainsi qu'une phase supraconductrice (ce sont donc les seuls oxydes de transition 3d supraconducteurs, avec les Cuprates et les Titanates). Comme dans les Cuprates, leur structure cristallographique est lamellaire et quasi-bidimensionnelle, mais contrairement à ces dernières où les Cu forment un réseau carré, les Co sont agencés en un réseau triangulaire susceptible de frustrer des interactions magnétiques. Malgré les nombreux travaux qui ont été consacrés à ces composés, la description de base de leur structure de bandes est sujette à controverse et les calculs “premiers principes” demeurent en désaccord avec les expériences de photoémission.<br /><br />Le travail présenté ici vise à obtenir un modèle effectif capable de prédire les bonnes excitations de basse énergie des Cobaltates de sodium. Après un chapitre d'introduction générale sur ces composés, j'exposerai les limites des calculs théoriques déjà effectués puis je décrirai la dérivation de notre modèle effectif avant de présenter les résultats obtenus. Des annexes seront<br />consacrées plus précisément aux méthodes théoriques discutées dans ce manuscrit.

Les composés à fermions lourds, qui sont à base de terres rares comme le cérium et l'ytterbium ou d'actinides comme l'uranium, sont connus pour leurs propriétés extraordinaires à basse température. Leur physique est gouvernée par l'hybridation des électrons f avec des électrons de conduction, ce qui mène à la formation de quasi-particules avec de très grandes masses effectives. URu2Si2 occupe une place particulière dans la famille des fermions lourds. Une transition de phase du second ordre à la température T0 = 17.5 K a été observée par de nombreuses techniques expérimentales. Malgré des propositions théoriques multiples, aucun consensus n'existe concernant le paramètre d'ordre de la phase - dite à ordre caché - qui se développe sous T0. Lorsqu'on le soumet à des champs magnétiques intenses, URu2Si2 a par ailleurs un comportement unique : une cascade de trois transitions du premier ordre entre 35 et 39 T mène le système de son état paramagnétique à un état polarisé paramagnétique à fort champ. Ce travail a consisté en l'investigation systématique des propriétés magnétiques et électroniques d'échantillons monocristallins de très haute qualité d' URu2Si2 dans des champs magnétiques intenses allant jusqu'à 80 T, et des températures descendant jusqu'à 100 mK. Des expériences d'aimantation et de magnétorésistivité ont été faites en champ magnétique pulsé non destructif au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse (LNCMI-T). Le diagramme de phase champ magnétique-température de URu2Si2 a été étudié la première fois sur les gammes étendues de champs magnétiques H||c allant jusqu'à 60 T et de températures allant jusqu'à 80 K. Il indique que la domaine critique [35 T-39 T] est initié par la destabilisation d'un " crossover ", dont la température caractéristique atteint 40-50 K à champ nul. Il est démontré que ce crossover, qui résulte probablement des corrélations inter-site, est aussi un précurseur de la phase à ordre caché. Une étude de la magnétorésistivité pour différentes orientations du champ magnétique dans les plans (a,a) and (a,c) a permis d'établir la dépendance en angle du diagramme de phase. Des mesures de l'aimantation du composé dopé en rhodium U(Ru0.96Rh0.04)2Si2 révèlent un diagramme de phase " simplifié ", où la phase à ordre caché a disparu et le domaine critique a été remplace par une phase intermédiaire entre 26 et 37 T. La magnetoresistivité à très basse température se révèle être fortement dépendente de la qualité des échantillons et est la signature des propriétés orbitales d'URu2Si2. Une dépendance exceptionnellement intense de la magnétorésistivité en fonction de la température confirme que la surface de Fermi est reconstruite à T0. Des anomalies dans la magnetoresistivité à fort champ magnétique H||c suggèrent que la surface de Fermi est modifiée à l'intérieur de la phase à ordre caché. Des oscillations quantiques - effet Shubnikov-de Haas - sont observées dans la magnétorésistivité à très basse température pour une multitude d'orientations des échantillons dans le champ magnétique. Elles confirment qu'un champ magnétique H||c induit des reconstructions de la surface de Fermi dans la phase à ordre caché. Dans un champ magnétique H||a, des oscillations quantiques sont observées pour la première fois jusqu'à 80 T. Leur analyse a révélé une nouvelle branche de fréquence  avec une faible masse effective. La dépendance en angle des fréquences Shubnikov-de Haas a été étudiée dans un champ magnétique allant jusqu'à 60 T, pour des champs appliqués dans les plans (a,a) et (a,c). Ce travail expérimental indique que le couplage entre le magnétisme des électrons f et les propriétés de la surface de Fermi joue un rôle important pour la physique du système à ordre caché URu2Si2.

Cette thèse traite de la structure électronique de supraconducteurs telle que déterminée par la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une brève explication de cette théorie est faite dans l’introduction. Le modèle de Hubbard est présenté pour pallier à des problèmes de cette théorie face à certains matériaux, dont les cuprates. L’union de deux théories donne la DFT+U, une méthode permettant de bien représenter certains systèmes ayant des électrons fortement corrélés. Par la suite, un article traitant du couplage électron- phonon dans le supraconducteur NbC1−xNx est présenté. Les résultats illustrent bien le rôle de la surface de Fermi dans le mécanisme d’appariement électronique menant à la supraconductivité. Grâce à ces résultats, un modèle est développé qui permet d’expliquer comment la température de transition critique est influencée par le changement des fré- quences de vibration du cristal. Ensuite, des résultats de calcul d’oscillations quantiques obtenus par une analyse approfondie de surfaces de Fermi, permettant une comparaison directe avec des données expérimentales, sont présentés dans deux articles. Le premier traite d’un matériau dans la famille des pnictures de fer, le LaFe2P2. L’absence de su- praconductivité dans ce matériau s’explique par la différence entre sa surface de Fermi obtenue et celle du supraconducteur BaFe2As2. Le second article traite du matériau à fermions lourds, le YbCoIn5. Pour ce faire, une nouvelle méthode efficace de calcul des fréquences de Haas-van Alphen est développée. Finalement, un dernier article traitant du cuprate supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 est présenté. À l’aide de la DFT+U, le rôle de plusieurs ordres magnétiques sur la surface de Fermi est étudié. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mesures d’oscillations quan- tiques mesurées dans ce matériau. / In this thesis, the electronic structure of different kinds of superconductors is explored with the density functional theory. A brief explanation of this theory is done in the in- troduction. The Hubbard model is also presented as it can be used to solve shortcomings of the theory in some materials such as cuprates. The blend of the two theories is the DFT+U which is used to describe materials with strongly correlated electrons. After- ward, a paper describing the electron-phonon coupling in the superconductor NbC1−xNx is presented. Results from this work show the role of the Fermi surface in the electron pairing mechanism leading to superconductivity. Based on these results, a model is de- veloped explaining how the critical temperature is influenced by the change in frequency of the vibration modes. Then, quantum oscillation results based on a detailed analysis of Fermi surfaces, allowing a direct comparison with experimental data, are presented within two papers. The first one is about a material in the iron pnictide family, the LaFe2P2. Our calculations show that the Fermi surface of this material is different from the superconducting doped BaFe2As2 which explains why this material shows no sign of superconductivity. The second paper is about the heavy fermion system YbCoIn5. To do this, a new efficient method to calculate de Haas-van Alphen frequencies is developed. Finally, a paper on superconducting YBa2Cu3O6.5 is presented. Using DFT+U, the role of various magnetic orders on the Fermi surface are studied. The results allow a better understanding of the measured quantum oscillations in this material.

Cette thèse traite de la structure électronique de supraconducteurs telle que déterminée par la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une brève explication de cette théorie est faite dans l’introduction. Le modèle de Hubbard est présenté pour pallier à des problèmes de cette théorie face à certains matériaux, dont les cuprates. L’union de deux théories donne la DFT+U, une méthode permettant de bien représenter certains systèmes ayant des électrons fortement corrélés. Par la suite, un article traitant du couplage électron- phonon dans le supraconducteur NbC1−xNx est présenté. Les résultats illustrent bien le rôle de la surface de Fermi dans le mécanisme d’appariement électronique menant à la supraconductivité. Grâce à ces résultats, un modèle est développé qui permet d’expliquer comment la température de transition critique est influencée par le changement des fré- quences de vibration du cristal. Ensuite, des résultats de calcul d’oscillations quantiques obtenus par une analyse approfondie de surfaces de Fermi, permettant une comparaison directe avec des données expérimentales, sont présentés dans deux articles. Le premier traite d’un matériau dans la famille des pnictures de fer, le LaFe2P2. L’absence de su- praconductivité dans ce matériau s’explique par la différence entre sa surface de Fermi obtenue et celle du supraconducteur BaFe2As2. Le second article traite du matériau à fermions lourds, le YbCoIn5. Pour ce faire, une nouvelle méthode efficace de calcul des fréquences de Haas-van Alphen est développée. Finalement, un dernier article traitant du cuprate supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 est présenté. À l’aide de la DFT+U, le rôle de plusieurs ordres magnétiques sur la surface de Fermi est étudié. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mesures d’oscillations quan- tiques mesurées dans ce matériau. / In this thesis, the electronic structure of different kinds of superconductors is explored with the density functional theory. A brief explanation of this theory is done in the in- troduction. The Hubbard model is also presented as it can be used to solve shortcomings of the theory in some materials such as cuprates. The blend of the two theories is the DFT+U which is used to describe materials with strongly correlated electrons. After- ward, a paper describing the electron-phonon coupling in the superconductor NbC1−xNx is presented. Results from this work show the role of the Fermi surface in the electron pairing mechanism leading to superconductivity. Based on these results, a model is de- veloped explaining how the critical temperature is influenced by the change in frequency of the vibration modes. Then, quantum oscillation results based on a detailed analysis of Fermi surfaces, allowing a direct comparison with experimental data, are presented within two papers. The first one is about a material in the iron pnictide family, the LaFe2P2. Our calculations show that the Fermi surface of this material is different from the superconducting doped BaFe2As2 which explains why this material shows no sign of superconductivity. The second paper is about the heavy fermion system YbCoIn5. To do this, a new efficient method to calculate de Haas-van Alphen frequencies is developed. Finally, a paper on superconducting YBa2Cu3O6.5 is presented. Using DFT+U, the role of various magnetic orders on the Fermi surface are studied. The results allow a better understanding of the measured quantum oscillations in this material.

Le présent mémoire traite de la description du LaOFeAs, le premier matériau découvert de la famille des pnictures de fer, par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Plus particulièrement, nous allons exposer l’état actuel de la recherche concernant ce matériau avant d’introduire rapidement la DFT. Ensuite, nous allons regarder comment se comparent les paramètres structuraux que nous allons calculer sous différentes phases par rapport aux résultats expérimentaux et avec les autres calculs DFT dans la littérature. Nous allons aussi étudier en détails la structure électronique du matériau sous ses différentes phases magnétiques et structurales. Nous emploierons donc les outils normalement utilisés pour mieux comprendre la structure électronique : structures de bandes, densités d’états, surfaces de Fermi, nesting au niveau de Fermi. Nous tirerons profit de la théorie des groupes afin de trouver les modes phononiques permis par la symétrie de notre cristal. De plus, nous étudierons le couplage électrons-phonons pour quelques modes. Enfin, nous regarderons l’effet de différentes fonctionnelles sur nos résultats pour voir à quel point ceux-ci sont sensibles à ce choix. Ainsi, nous utiliserons la LDA et la PBE, mais aussi la LDA+U et la PBE+U. / We present DFT calculations of the electronic structure of LaOFeAs, the parent compound of the new family of superconductors, the iron pnictides, in this master thesis. Specifically, we are going to take a look at the present state of the research done on this material before giving a quick introduction to DFT. Then, we will compare the optimized structural parameters as calculated by our DFT code with the experimental data as well as results obtained by other groups. We studied the electronic structure of LaOFeAs using the standard set of tools : band structure, density of state (DOS), fermi surface and fermi surface nesting. We used theoretical methods to determine the allowed phonon modes in this crystal structure. This, in turn, enabled us to explore the electron-phonon coupling in our material for the most important modes. We’ll also discuss the influence different functionals may have for calculating the electronic structure. This will allow us to validate our results. In detail, we will compare results obtained with the following functionals: LDA and PBE, as well as LDA+U and PBE+U.

No description available.