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Les communautés
Les groupes impliqués dans ce GDR sont donc les suivants.
Les chimistes élaborant les matériaux
Parmi eux nous pouvons noter différentes communautés :
- la communauté travaillant dans le domaine des oxydes, sulfures, et autres chalcogénures, pnictures de métaux de transition,
- la communauté travaillant sur les matériaux moléculaires et les matériaux hybrides,
- la communauté travaillant sur les fermions lourds,
- enfin la communauté des couches minces ou autre mises en forme particulières grâce auxquelles certains effets peuvent être exacerbés, d’autres découplés ou encore de nouvelles propriétés apparaître dans ces matériaux synthétiques.
Nous souhaitons rappeler ici que la découverte de nouveaux composés joue un rôle central dans l’exploration des problèmes fondamentaux à la frontière de la connaissance actuelle des systèmes corrélés. Elle est un moteur indispensable aux autres communautés que soit par la découverte de nouvelles propriétés et problématiques dans les systèmes nouveaux, soit par la synthèse de systèmes idéaux permettant l’étude de propriétés particulières sans l’interférence d’autres degrés de liberté. Il nous semble donc crucial qu’il y ait en France une communauté forte qui investisse dans la recherche exploratoire de nouveaux composés, source amont vitale qu’il faut parvenir à renforcer si on veut rester compétitif au meilleur niveau international.
de la Mission Ressources et Compétences Technologiques (MRCT/CNRS)
Au delà de la synthèse de nouvelles phases, les études précises des propriétés physiques nécessitent souvent d’avoir les matériaux sous forme de monocristaux. La cristallogénèse est un domaine de compétence en soi et le GDR continuera à s’appuyer pour cela sur le réseau CRISTECH de la mission ressources et compétences technologiques du CNRS.
En effet ce réseau, au delà de sa mission de fédération des compétences et de sauvegarde des savoir-faire développe des thématiques dont une grande partie est partie intégrante du GDR. Citons :
- les cristaux pour l’étude des propriétés électroniques du solide : magnétisme, transport, supraconductivité...
- les cristaux moléculaires
- les cristaux de nouveaux matériaux pour études structurales.
C’est pourquoi il nous semble important de continuer la collaboration entreprise entre le GDR et le réseau CRISTECH (journées communes lors des réunions scientifiques).
Les physiciens expérimentateurs
Le développement des méthodes expérimentales (que ce soit en ce qui concerne les études structurales ou les propriétés physiques) joue un rôle crucial dans l’étude des matériaux à forte corrélation électronique. En effet dans ces systèmes où différents degrés de liberté, différents ordres sont impliqués, la diversité mais aussi, la qualité, la précision des dispositifs expérimentaux joue un rôle déterminant pour séparer l’effet des différents degrés de liberté.
Ainsi deux points nous paraissent importants
- les avancées expérimentales permettant de nouvelles manières de sonder la matière
- la mise à la disposition des méthodes de pointe à l’ensemble de la communauté scientifique.
Parmi les progrès récents des techniques expérimentales, nous voulons citer quelles points qui nous paraissent particulièrement importants.
- L’évolution des techniques en conditions extrêmes.
- Ainsi les mesures sous haute pression (transport, magnétisme, diffraction de rayons X comme des neutrons, mais aussi RMN, Raman, μ-SR, etc.) permettent d’explorer le diagramme de phase enfonction de la température et de la pression dans des régions encore mal connues.
- De même les possibilités nouvelles de diffraction de rayons X ou de neutrons sous champ magnétique intense (bobine pulsée mobile au delà de 30T), les mesures de RMN en fort champ ouvrent de nouvelles perspectives dans l’étude du magnétisme et des composés multiferroïques.
- L’exploration des homogénéités spatiales (statiques ou spectroscopies) jusqu’à l’échelle atomique offre un nouveau champ de connaissance comme nous l’avons vu dans le domaine des cuprates à haute température critique. En effet, les compétitions entre interactions engendrent inhomogénéités structurales et physiques dans les matériaux à fortes corrélations. De plus, ces composés sont très souvent le siège d’effets structuraux locaux liés à des substitutions chimiques nécessaires au dopage. Il est donc indispensable d’étudier les matériaux à toutes les échelles pour en comprendre les propriétés.
- Le développement des techniques pour étudier les composés en couches minces ou super-réseaux. Notons par exemple qu’il est aujourd’hui possible de faire de la —SR sur couches minces ce qui permet une résolution spatiale en profondeur de l’ordre de la dizaine de nanomètres. On peut ainsi aborder l’étude des épaisseurs de pénétration dans l’état Meissner d’échantillons supraconducteurs en couches minces ou de multicouches et sonder les propriétés magnétiques dans des cas où la quantité de matière reste trop faible pour des techniques neutrons, voire SQUID.
- Enfin plus récemment le développement des méthodes résolues en temps permettent d’accéder à des états transitoires ou à des effets dynamiques. Ainsi divers projets de nouveaux développement expérimentaux existent dans notre communauté comme par exemple des expériences d’ARPES femto-seconde.
L’étude des matériaux à corrélations fortes soulève de nombreuses questions fondamentales et constitue un large champ d’investigation pour les théoriciens. Une des difficultés majeures pour appréhender ces problèmes est liée à la faillite des théories usuelles dites “perturbatives” (autour du champ moyen), poussant ainsi les théoriciens à inventer et à développer de nouveaux "outils" et concepts théoriques.
Dans le cas des corrélations électroniques faibles, les méthodes fondées sur la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT en anglais) ont remporté un succès évident en permettant de comprendre les propriétés de nombreux matériaux (structures de bandes dans les métaux, etc ...). Malheureusement, dans le cas des systèmes fortement corrélés, ces méthodes butent souvent sur un certain nombre de difficultés parfois de nature conceptuelle (comme par exemple la description de l’ouverture du gap dans les isolant de Mott-Hubbard ou le caractère multiconfigurationnel de la fonction d’onde). D’autre part, c’est l’interférence entre de nombreux degrés de liberté qui est responsable des propriétés observées et de la multitude des états (ou phases) possibles, lesquels ne diffèrent que par des énergies très faibles. Plusieurs pistes encourageantes ont été néanmoins développées récemment comme par exemple la combinaison de méthodes DFT avec des méthodes de type champ moyen dynamiques permettant de prendre en compte les corrélations au niveau local.
Les chimistes quanticiens ont développé des méthodes de calculs ab-initio multiréférence permettant de traiter sur un fragment ces différents aspects. Ainsi il est possible de valider les degrés de liberté pertinents et de déterminer les interactions effectives permettant de construire les modèles minimaux corrélés pouvant être appréhendés par d’autres techniques.
hysiques et des effets des corrélations. La définition du modèle et des paramètres pertinents pour un composé donné peut simultanément découler des calculs ab-initio et de la validation par une confrontation directe à l’expérience. Cette démarche offre donc une synergie particulièrement constructive entre les différentes communautés de notre GDR qui a l’ambition de pouvoir déterminer le lien entre propriétés physiques, degrés de libertés microscopiques, structure et composition chimique et d’envisager à terme de disposer de méthodes prédictives pour permettre la conception de nouveaux composés ou molécules. L’étape essentielle qu’est la comparaison à l’expérience nécessite bien sûr de développer des méthodes quantitatives (basées par exemple sur des algorithmes numériques spécifiques) permettant de dégager les propriétés physiques de ces modèles effectifs. Le développement de telles méthodes (Méthodes de Diagonalisation Exactes, Monte-Carlo Quantique, Renormalisation Numérique par la Matrice Densité,...) constitue un grand axe de recherche de la communauté des théoriciens du solide. L’étude de tels modèles permet aussi d’évaluer les effets de paramètres microscopiques sur la stabilité des différents états possibles.
