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Introduction - Objectifs

Introduction

Le GDR Matériaux et Interactions en Compétition a des objectifs de recherche fondamentale : découverte de nouveaux composés à fortes corrélations électroniques, étude de ces composés ainsi que de systèmes déjà connus, dégager de nouveaux concepts permettant de comprendre et maîtriser ces matériaux aux propriétés fascinantes.

Alors que la recherche en micro-électronique se tourne de plus en plus vers la recherche de systèmes présentant des propriétés couplées, les matériaux à fortes corrélations électroniques font figure d’archétypes en ce qui concerne les interactions couplées ou en compétition. C’est dans ces systèmes que se font la plupart des découvertes de nouveaux états de la matière, la découverte de nouveaux composés, qui nécessite une collaboration très étroite entre chimistes du solide, physiciens et théoriciens, est donc primordiale car elle reste le socle le plus fructueux de découvertes de nouvelles propriétés physiques. L’origine de la richesse des propriétés des systèmes à fortes corrélations vient de la préservation, dans ces systèmes, de nombreux degrés de liberté. Ces degrés de liberté (spin, charge, réseau, orbital), oblitérés dans les matériaux plus conventionnels — comme les métaux classiques, les semi-conducteurs à base de silicium, etc. . . — par les effets de délocalisation électronique peuvent s’exprimer du fait même que les effets de corrélation dominent les effets de délocalisation. Il en résulte

  • une multitude de propriétés nouvelles et fascinantes comme la supraconductivité à haute température critique 1, les points critiques quantiques 2, les liquides de spins 3 etc. . .
  • des diagrammes de phases très riches associant un grand nombre d’états fondamentaux pour une même famille de composés ; citons parmi d’autres les matériaux moléculaires 4, les fermions lourds 5 ou plus récemment les pnictures 6, où des états métalliques ou supraconducteurs jouxtent, voire coexistent avec des phases magnétiques ordonnées (coexistence de phases avec ségrégation au niveaumésoscopique 7 ou même coexistence au niveau microscopique 8).
Cette proximité entre phases dominées par différents degrés de liberté, voire par une combinaison de plusieurs, rend possible le passage entre différents états fondamentaux en jouant sur un paramètre de contrôle extérieur, tel que le dopage ou l’application d’une pression, d’un champ électrique ou magnétique, etc... Il est ainsi possible de contrôler par une perturbation l’état fondamental du système, c’est-à-dire la phase et les transitions de phases. C’est par exemple le cas dans les manganites à magnéto-résistance colossale ou le passage au travers de la transition métal-isolant peut être induit par l’application d’un champ magnétique ou dans les matériaux moléculaires pour lesquels il est possible de passer d’une phase isolante, avec un ordre de spin, à une phase supraconductrice et à une phase métallique non magnétique par l’application d’une pression. Il est de plus possible, lorsque différents degrés de liberté sont couplés, d’agir sur une propriété liée à l’un d’entre eux par l’application d’une perturbation sur l’autre. C’est bien sûr un des objectifs en aval de toutes les recherches sur les matériaux multiferroïques, mais nous pouvons aussi citer l’exemple des composés photo-chromes pour lesquels une sollicitation optique permet de modifier la conductivité ou la structure magnétique.
 
Les applications potentielles liées aux propriétés de ces matériaux sont immenses. Sans évoquer les plus évidentes comme celles liées à la supraconductivité à haute température critique, au pouvoir thermoélectrique, nous voyons que la manière usuelle d’obtenir des fonctions dans les composants électroniques consiste à combiner des matériaux ayant des propriétés différentes. Avec la miniaturisation et l’objectif ultime de l’électronique à l’échelle atomique ou moléculaire, l’intérêt de matériaux présentant le couplage désiré de manière intrinsèque est immense et c’est précisément dans les matériaux fortement corrélés que ce type d’applications peuvent être envisagées. Cependant de tels objectifs applicatifs ne pourront être atteints sans une compréhension des propriétés, de leur couplage ou de leur compétition. Ainsi, les apports tant des développements théoriques que des nouvelles méthodes expérimentales (notamment celles sur grands instruments) sont déterminants. De même, un flux régulier de nouveaux composés à fort potentiel est crucial, tant pour la découverte de nouvelles propriétés que pour la compréhension de celles déjà connues par l’apport de nouveaux points de vue permettant de mieux séparer le générique du particulier. C’est pourquoi il est indispensable de développer une recherche prospective de nouveaux composés, nouveaux composés étudiés en collaboration avec physiciens et théoriciens pour en identifier rapidement les potentialités et apports en terme de compréhension ou de nouvelles propriétés.

Enfin, les enjeux théoriques sont de taille : symétries non conventionnelles du paramètre d’ordre dans tous les supraconducteurs découverts depuis 25 ans, compréhension de l’origine de la supraconductivité, phase pseudogap, transition de Mott, liquides de spin type "RVB" ou algébriques, développement de la DMFT, etc. . .

 

Objectifs

L’objectif scientifique du GDR Matériaux et Interactions en Compétition est triple. Il s’agit

  • de faire avancer la compréhension des interactions entre les multiples degrés de liberté responsables des propriétés des matériaux fortement corrélés,
  • d’assurer un flux régulier de nouveaux composés à fort potentiel,
  • d’identifier les thématiques en émergence dans le domaine des matériaux à corrélations fortes.

Les objectifs de structuration de la communauté sont

  • de favoriser et initier des collaborations transdisciplinaires au coeur de la communauté française,
  • d’élaborer un langage et une culture commune entre les chimistes et physiciens, théoriciens et expérimentateurs,
  • d’assurer la formation des jeunes et nouveaux membres et de diffuser auprès de la communauté les dernières avancées (ou potentialités) en matière de méthodes expérimentales ou théoriques.
Pour parvenir à la compréhension des propriétés observées dans les systèmes fortement corrélés et de leur origine microscopique, c’est-à-dire de la relation composition chimique - structure - propriété, il est absolument nécessaire d’associer les compétences et l’expertise des chimistes qui synthétisent et mettent en forme les matériaux avec une qualité bien contrôlée, des cristallographes qui affinent les structures (nucléaires mais aussi magnétiques), des physiciens qui étudient les propriétés à l’aide des méthodes les plus pointues et des théoriciens qui tentent de déterminer les degrés de liberté pertinents et de comprendre les propriétés observées. Ces chercheurs travaillent en général dans des laboratoires différents et ont peu d’occasion de se rencontrer (dispersion géographique et thématique, conférences essentiellement disciplinaires, appartenance à des instituts différents n’ayant pas les mêmes objectifs, etc...). L’organisation de la recherche en France est mal armée pour ce type de recherches transdisciplinaires pourtant fort bien reconnue à l’étranger. Les GDR sont un des seuls outils dont nous disposons permettant de
construire une communauté multidisciplinaire autour d’une thématique commune. Les différents partenaires participant au GDR MICO font partie de communautés naturelles très éclatées entre domaines scientifiques (physique, chimie), mais aussi entre sous disciplines (chimie du solide, chimie moléculaire etc...) qui ont peu de contacts entre elles. Les réunions scientifiques du GDR sont presque le seul lien entre ces communautés au niveau national et leur disparition aurait pour résultat une dissolution rapide de la communauté construite au cours de ces dernières années (comme cela s’est vue après la disparition du GDR matériaux moléculaires). Il nous semble donc essentiel de renouveler le GDR Matériaux et Interactions en Compétition qui assure les liens entre les différentes composantes disciplinaires de la communauté des matériaux à corrélations fortes.
La position du GDR MICO par rapport à d’autres GDR avec des objectifs plus appliqués comme le GDR thermoélectricité ou le GDR multiferroïque est résolument en amont et transversale. Notre objectif est clairement d’atteindre une compréhension au niveau fondamental des matériaux à corrélations fortes en confrontant et intégrant les méthodes, résultats et concepts développés par les diverses communautés composant le GDR.
 
 

References

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  9. Voir par exemple : J. van den Brink et D. I Khomskii, J. Phys. : Condens. Matter 20 434217 (2008).
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  11. Voir par exemple : I. Gélard, C. Dubourdieu, S. Pailhès, S. Petit et Ch. Simon, Appl. Phys. Letters 92, 232506 (2008) ; R. Schleck, Y. Nahas, R. P. S. M. Lobo, J. Varignon, M.-B. Lepetit, C. S. Nelson, R. L. Moreira, Phys. Rev. B 82, 054412 (2010) ; M. Loire, V. Simonet, S. Petit, K. Marty, P. Bordet, P. Lejay, J. Ollivier, M. Enderle, P. Steffens, E. Ressouche, A. Zorko et R. Ballou, Phys. Rev. Letters 106, 207201 (2011)
  12. Par exemple : projet SYMME impliquant : institut Néel, INAC/CEA, LPEM, CRISMAT
  13. M. P. Shores, E. A. Nytko, B. M. Bartlett, D. G. Nocera, J. Am. Chem. Soc. 127, 13462 (2005) ; Phys. Rev. Letters 98, 077204 (2007) ; Phys. Rev. Letters 100, 237204 (2008).
  14. Par exemple D. Poilblanc et A. Ralko, Phys. Rev. B 82, 174424 (2010).
  15. I. Mirebeau et al, Phys. Rev. Letters 94, 246402 (2005) ; I. Mirebeau, P. Bonville et M. Hennion, Phys. Rev. B 76, 184436 (2007) ; H. Cao, A. Gukasov, I. Mirebeau, P. Bonville, C. Decorse et G. Dhalenne, Phys. Rev. Letters 103, 056402 (2009)
  16. L’étude de ces composés a donné lieu à de multiples collaborations entre divers les laboratoires du GDR : LPS, LNCMI, CRISMAT par exemple.
  17. Pour une revue : « Introduction to Frustrated Magnetism » Eds C. Lacroix, P. Mendels, F. Mila, Springer Series in Solid State Sciences 164 (2011).
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