Spectroscopie des nouveaux états quantiques – Systèmes corrélés et Physique de Mott

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• Membres permanents : Marie d’Angelo, Christophe Brun, Tristan Cren, Pascal David, François Debontridder, Marie Hervé

 

Répulsion électron-électron et effets relativistes au cœur des propriétés électroniques d’une couche atomique de plomb

Dans un métal, l’interaction répulsive directe entre deux électrons (interaction Coulombienne) est écrantée par la présence des nombreux ions et électrons. Lorsque la densité d’électrons diminue cette interaction répulsive entre électrons augmente. Si cette répulsion devient suffisamment forte, elle peut empêcher la formation d’un état métallique au profit d’un état isolant appelé isolant de Mott.

Nous avons étudié expérimentalement et théoriquement un matériau bidimensionnel prédit comme étant très proche de la transition de Mott. Ce matériau est constitué d’une couche atomique de plomb de faible densité déposée sur un substrat de silicium. Grâce à une comparaison fine du spectre d’excitation électronique mesuré par STM avec celui calculé par une approche « ab initio », nous avons montré que dans ce matériau 2D, les corrélations électroniques ne sont pas assez fortes pour provoquer un état isolant mais altèrent significativement l’état métallique. Une conclusion importante est également que le couplage spin-orbite, dû à la masse atomique élevée du plomb, est un paramètre essentiel à prendre en compte pour la modélisation correcte des propriétés électroniques de ce système qui présente ainsi des états métalliques polarisés en spin.

Figure 1 a : Image topographique STM d’un domaine 3×3 de Pb/Si(111). b : Surface de Fermi calculée par fonctionnelle de la densité avec terme Coulombien (DFT+U) où la polarisation en spin est représentée par une petite flèche de couleur. c : Transformée de Fourier d’une carte de conductance dI/dV(E=EF,x,y). d : Calcul de ces processus à partir de la structure électronique obtenue en DFT+U.

 

La forme et la texturation en spin de ces états à l’énergie de Fermi ont été déterminées par une méthode dite d’interférence de quasiparticules. La surface de Fermi calculée (Fig1b) est formée de deux quasi-hexagones polarisés en spin, avec chacun une texturation en spin (hélicité) tournant dans un sens opposé. Cette polarisation hélicale en spin donne lieu à des processus sélectifs de diffusion électronique, induits par la présence d’impuretés non-magnétiques. Il y a des processus interbande caractérisés par les vecteurs d’onde q_inter et les processus intrabande caractérisés par les vecteurs d’onde q_intra (Fig1b). Les vecteurs d’onde joignant des spins parallèles donnent un fort signal tandis que les vecteurs d’onde joignant des spins opposés donnent un signal nul. Expérimentalement, ces processus ont été sondés par transformée de Fourier de cartes de conductance différentielle dI/dV(V=0,x,y). Le résultat expérimental Fig1c montre un bon accord avec la simulation Fig1d.

En perspective à ces travaux, nous étudierons la nature du magnétisme local des phases Mott 2D existant dans les composés voisins. Elle reste débattue et largement inconnue à cause de l’extension spatiale importante de la répulsion Coulombienne.

Publication récente

1. C. Tresca, C. Brun, T. Bilgeri, G. Menard, V. Cherkez, R. Federicci, D. Longo, F. Debontridder, M. D’Angelo, D. Roditchev, G. Profeta, M. Calandra and T. Cren. Chiral Spin Texture in the Charge-Density-Wave Phase of the Correlated Metallic Pb/Si(111) Monolayer. Phys. Rev. Lett. 120, 196402 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01792155

Faits marquants

Répulsion électron-électron et forts effets relativistes au cœur des propriétés de l’état fondamental d’une monocouche atomique de Pb