Navigation – Plan du site
CHADOCS

Le rôle du couplage de Hund dans les métaux corrélés

Jernej Mravlje

Texte intégral

1Les couches électroniques des atomes se remplissent avec une grande régularité, qui se manifeste dans la classification périodique des éléments. Non seulement le remplissage des couches externes se produit après la saturation des couches les plus proches du noyau, mais les différentes orbitales de la dernière couche, partiellement remplie, se produisent encore de façon très ordonnée. Ainsi, la double occupation (par un électron de chaque spin) ne se produit qu’après l’occupation de toutes les autres orbitales de l’atome par un électron. Plus précisément, le terme atomique de plus faible énergie est celui qui maximise (dans l’ordre) le spin et le moment cinétique total. Ces règles, découvertes par Friedrich Hund en 1925, précisent l’état fondamental de l’atome, et sont à l’origine du magnétisme des composés isolants. Jusqu’à très récemment, leurs effets dans les métaux n’avaient pas été considérés comme importants.

2L’origine des règles de Hund – très similaires au comportement humain dans les transports en commun, où la double occupation d’une paire de sièges ne se produit que s’il ne reste plus de paire vide – est la répulsion électronique. En effet, les électrons se repoussent, et quand on place deux électrons dans la même couche, le coût énergétique de cette répulsion n’est que partiellement compensé par l’attraction des électrons vers le noyau. Ainsi, les configurations électroniques correspondant aux états où les électrons sont en moyenne plus séparés sont énergiquement favorables. Autrement dit, la répulsion coulombienne contient un terme de type Hubbard qui lie le coût énergétique aux nombre d’électrons, et un terme d’échange, qu’on appelle le couplage de Hund, et qui est à l’origine de règles de Hund.

3Quel est le rôle du couplage de Hund dans les solides ? Dans les isolants, qui sont similaires à un ensemble d’atomes isolés, il est évidemment important. Dans les très bons métaux, où la répulsion coulombienne est négligeable, il est sans effet. Quel est son rôle dans le cas intermédiaire des métaux corrélés ? Prenons un métal corrélé typique – un oxyde de métal de transition, par exemple. La largeur de bande (on la dénote par W) est de quelques électronvolts, valeur typiquement proche de celle de la répulsion de type Hubbard (notée U). Plus U est grand, plus le matériau est corrélé. Cela signifie que son état électronique s’éloigne de plus en plus de celui d’un gaz d’électrons indépendants. Lorsque U est plus grand que W, les électrons ne peuvent pas « sauter » d’un atome à l’autre, et le matériau devient isolant. À l’inverse, dans les métaux pour lesquels U est plus petit que W, et puisque la valeur énergétique du couplage de Hund (notée J) n’est qu’une fraction de U, alors J<<W, les effets du couplage de Hund dans ces mêmes métaux corrélés ont été considérés comme peu importants.

4Le travail théorique des dernières années a démontré que cette dernière hypothèse est incorrecte. Par ailleurs, on a appris que les effets du couplage de Hund sont nécessaires à la compréhension du comportement de certains métaux, parmi lesquels les ruthenates et les supraconducteurs à haute température critique et à base de fer. En utilisant la théorie de champ moyen dynamique, Antoine Georges (Collège de France), Luca de’Medici (LPS Orsay) et l’auteur ont montré que le couplage de Hund a deux effets. Un effet local, ou atomique, diminue le coût énergétique (U effective) hors demi remplissage, où ajouter un électron augmente le spin de l’état final. Cet effet local est responsable d’un comportement métallique. L’autre effet est lié à la dégénérescence. Celle-ci diminue lorsque le couplage de Hund augmente, sauf dans le cas d’un seul électron. Une plus faible dégénérescence atomique empêche certains transferts d’électrons entre atomes, par conséquent l’état devient moins métallique. Quand la couche externe est remplie de plus d’un électron, mais pas encore à demi remplie, ces deux effets se compensent : le U effectif diminue en même temps que la dégénérescence, ce qui fait apparaître un métal qui est loin d’être un isolant, mais qui possède une énergie cinétique fortement réduite. Le couplage de Hund a, comme le dieu romain Janus, deux visages, qui sont parfois contraires. Les supraconducteurs à base de fer et les ruthenates de strontium appartiennent à cette catégorie très intéressante.

Réaliser l’importance du couplage de Hund a mis en évidence les conséquences de la physique atomique dans les métaux et nous a permis d’établir un tableau périodique des métaux corrélés. Il explique plusieurs propriétés intéressantes des supraconducteurs à base de fer, notamment leur magnétisme. Il pose aussi une question intéressante : si les pnictures de fer sont proches des ruthenates de strontium, pourquoi ces derniers (ainsi que les composés voisins) ne présentent-ils pas de supraconductivité à haute température? Jernej Mravlje a fait ses études supérieures en Slovénie à l’Université de Ljubljana, où il a soutenu sa thèse en 2008. Il a commencé ses recherches en physique de la matière condensée à l’Institut Josef Stefan à Ljubljana. Depuis 2011, il est maître de conférences associé au Pr A. Georges. Jernej Mravlje s’intéresse à la physique des électrons corrélés dans les solides ainsi que dans les systèmes mésoscopiques. Actuellement, il étudie les conséquences de couplage de Hund dans les métaux.

Haut de page

Pour citer cet article

Référence électronique

Jernej Mravlje, « Le rôle du couplage de Hund dans les métaux corrélés », La lettre du Collège de France [En ligne], 35 | décembre 2013, mis en ligne le 01 octobre 2015, consulté le 25 juin 2017. URL : http://lettre-cdf.revues.org/2435

Haut de page

Auteur

Jernej Mravlje

Maître de conférences, chaire de Physique de la matière condensée, Pr Antoine Georges

Articles du même auteur

Haut de page

Droits d’auteur

© Collège de France

Haut de page