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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
1911
Bednorz,Mueller
1986
Genève, Sherbrooke,Orsay
2001
Evolution des Tc
k
Hg
Surfaces de Fermi 3D et 1D
Discontinuité de la distribution éléctronique n(k)
k
k

k
1D
TMTSF2PF6
.
-kF
k

.
+kF
Q = 2kF
k//
Jacques Friedel
2001
Les A15, des unidimensionnels 3D
V3Si,
Nb3Sn
Weger, Rev Mod, Phys, 1964
Conference on high pressure and low temperature physics
Cleveland 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  D exp  1 
  NF V  0.1 0.4
 is mass independent
 D  100 K 
1
M
Isotopic effect in
the BCS theory
Molecule of Little, 1964
Lattice polarization
Electronic polarization
 D  EF
Tc  300 K !!
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
Le sel de Krogmann KCP
Diffraction diffuse des rayons X
K2Pt(CN)4Br 0.33 H20
Remplissage incommensurable
Comes, Renker,Shirane, 1972
H. Schulz
1980
T>Tcm
T<Tcm
Charge transfer compounds and organic salt s
1973
F.Wudl, D.Cowan,
A.Garito and A.Heeger
+
T T F° + T CNQ°----->T T+FT CNQ-
1979
Bechgaard
+
-
2 T MT SF° + X -----> T MT SF
2X + e
Conducteur organique:TTF-TCNQ
Z.Z.Wang, J.C.Girard,C.Pasquier.,
D.Jérome,K.Bechgaard
Phys.Rev.B,67, R121401 (2003)
2 types de chaînes conductrices, elec et trous
TTF-TCNQ: 2-chain charge - transfer compound
An attempt towards organic superconductivity,1973
TCNQ
F.Denoyer et al
PRL,35,475,1975
2kF   b

TTF
0.54300K
1
 (2k ,T) 
u
F
1 2 ep  e (2k F , T)
Soft phonon mode-Kohn anomaly
2kF Peierls distortion, Tp=54K
Heeger ’s group,
Solid State Comm,1973
Walter Kohn
2003
Conference de Cleveland, 1976
Bernd Matthias
Commensurabilité sous pression
La transition de Peierls ne peut être supprimée par la pression
Rôle stabilisateur des intéractions Coulombiennes interchaines
TTF-TCNQ: Froehlich fluctuating conduction
Loss of s// in the
commensurability
domain: 14-19 kbar
x 3 commensurability
b=3b
Commensurability
pinning
Preuve de l’existence de fluctuations de Frohlich
D.J and H.J.Schulz,
Adv in Physics, 31,299,1982
Imaging TTF-TCNQ
Molecular resolution of
TTF-TCNQ ab plane at T=63K
TCNQ
TTF
CDW on TTF-TCNQ ab plane at T=35.6K
Peierls
CDW ordering
b=3.39b, a=4a
From Z.Z.Wang
ISCOM ’01 and
PRB 67,121401,2003
TTF-TCNQ : STM view
Zhao Zhou Wang et al
View along the c-axix T=63K
Peierls transition at 53K
on TCNQ chains
Fourier transform at T=49K
b=3.6b, a=2a on TCNQ chains
Full ordering at 38K
2kF and 4a
T=33K
b*
a*
TMTSF-DMTCNQ, un composé charnière,
 = 0.5 détérminé par diffusion X
1979
Electrocrystallization/Bechgaard
– e–
TMTSF•+
TMTSF
-e
2(TMTSF) + PF6- --------> [(TMTSF)2 PF6]
at anode
Non aquous solvent (pure):THF
electrolyte
Bu4N+PF6–
K.Bechgaard, JACS. 1981,103,2440
film
The Bechgaard salt: TM2X:
TMTSF
(TMTSF)2X, X=PF6
-,….
ClO4
-,.
TMTTF : atoms S (Fabre)
TMTSF : atoms Se (Bechgaard) 1979
b
c
1/2 hole per organic cation molecule
-->One dimensional conductor
with finite transverse coupling
-->Quarter filled band
a
c
QuickTime™ et un décompresseur
Photo - JPEG sont requis pour visualiser
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1D Fermi surface
Sructure triclinique
avec 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
T
Antiferro
Itinérant
SDW
métal
SC
Coexistence isolant/supra
P
Articles de revues récents sur les 1D ’s :
C.Bourbonnais et D.Jérome, Adv in Synth Metals, p206-261, Elsevier, 1999
D. Jérome , Chemical Reviews, vol 104, p 5565 (2004)
Magnetic fields: Quantum Hall Effect in a bulk material
Rxx
0.410 K
longitudinal
resistance :xx0
P=8.5 kbar
10
5 4 3 2
5
-2
0
Rxy
N=0
0.370 K
60
Hall resistance quantized :
xy=1/n (h/2e2)
In high fields : N=0 phase : SDW ,
xy=unknown, xx
40
20
0
4
6
8
H(T)
10
12
J.R.Cooper et al
PRL,63,1984,1989
(T.Vuletic,thesis,2000))
Le diagramme générique TM2X
D.J
The physics of
organic superconductors
Science 252, 1509, 1991
Spin-charge separation in Fabre-Bechgaard salts
(Wcm)
Transport and susceptibility in TM2X
T
T
TSC
TSDW
 degrees of freedom
decoupled from s
C.Bourbonnais Cargese School
Irsee 1991 Gordon conference
Excitations électroniques 3D/1D
3D
1D
Collective modes
1D Physics, power laws
Nesting :  (k)   (k  2kF )
w(k)
w(k)
k
k
Peierls
D(w)
Luttinger liquids
DW
2k ,T   T
1
 T   T
SC
1
w
K  1
1
4
  (K 
F
K
BCS
>Tln EF/T
=> finite Tc !!
1D Fermi liquid

Mixture
T0
=> No phase transition in the
1D interacting gas

1
 2)
K

w
EF
Pseudo gap at Fermi level
Decoupled collective modes, spin and charge
Commensurate 1D conductor, quarter filled band
g3= Umklapp interaction (commensurability, Dq and lattice)
=> Mott localisation
Renormalization flow
K  K critic  Mott insulator
Kcritic
Commensurability 4
Quarter-filled 1D band
K criti c  0.25
(case of TM2X)
More repulsive
interactions needed
for a Mott insulator
in 1/4 filled band
T.Giamarchi
Quantum Physics in One Dimension
T.G Oxford Press (2004)
Interaction
De l’isolant de Mott au conducteur 2D/3D
Insulator
« Metal 2D »
Ligne de déconfinement
1D
« Liquide de Fermi »
à basse T
La supraconductivité organique 1D
(TM)2X
(T MT SF)2 PF6
(T MT SF)2 ClO4
@ 9.5kbar
@ 1 bar
Tc
0.9 K
1.2 K
 0 H c 2c
0.2 T
0.16 T
 0 H c 2b'
7T?
4-5 T
 0 H c 2a
5T?
5 T?
 0 H PBCS
1.8 T
2.2 T
NMR Knight shift
Supra p ?
Triplet SC
NMR 1/T1
T3 law?
Specific heat (Cv)
nodeless
Thermal conductivity
nodeless
Tunnelling
Non magnetic impurities
?
Supra p, d ou (d puis p)?
La controverse fait rage!!
?
nodes
Non conventionnelle
Quelques supras d’actualité
40
MI
Metal
22
13
AF
Temperature
k-(BEDT-TTF)2X
100
Metal
AF
SC
SC SC
D8-Br
H8-Cl
H8-Br
Cu(NCS)2
I3
Pressure
Hole doping
SC
Electron 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 triplet
Le 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
Introduction d’impuretés non magnétiques
0.4
Résistivité (W.cm)
(TMTSF)2(ClO4)1-x(ReO4)x
0.3
x = 10 %
0.2
0.1
(TMTSF)2ClO4
x=0
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Température (K)
N.Joo et al, EPJB (2004)
N.Joo et al, soumis a EPL
ln(TC0 )(1  TC0 )(1)
TC
2 2TC
2


2kBTC0
Composé organique 2D
k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br
Plan conducteur
Régions
isolantes
Plan conducteur
Phase k-(BEDT-TTF)2X
40
phase k
MI
Metal
22
AF
13
1/2 remplissage
Temperature
k-(BEDT-TTF)2X
SC SC
D8-Br
H8-Cl
H8-Br
Cu(NCS)2
Isolant de Mott
I3
Pressure
k-(BEDT-TTF)2X
200
H8-Br
Lefebvre, Limelette
‘Haut-Tc’ : Tc,max=13 K
150
c(Ohm.cm)
2 thèses:
D8-Br
100
Cu(NCS)2
50
Réseau triangulaire => frustration magnétique
I3
0
0
50
100
150
Temperature (K)
200
250
300
La supraconductivité organique
k-(BEDT-TTF)2X
Br
NCS
Tc
11.6 K
9.4 K
 0 H c 2
10 T
5.2 T
 0 H c 2 //
40 T ?
35 T
 0 H PBCS
21.3 T
17.3 T
NMR Knight shift
Singlet SC
NMR 1/T1
T3 law
Specific heat
(Cv/T)
T2 law/
Exponential
Exponential
Thermal
conductivity
Power law
Tunnelling
nodes
Penetration depth
Power law/
Exponential
Power law /
Exponential
40
MI
Metal
22
13
Temperature
k-(BEDT-TTF)2X
AF
SC SC
D8-Br
H8-Cl H8-Br
Cu(NCS)2
I3
Pressure
Hc2//>HP
Supra d
Certains groupes voient s