Nouveaux états électroniques corrélés émergeant d'un couplage spin-orbite fort : le cas des iridates – SOCRATE

La dernière décennie a été marquée par la redécouverte du couplage spin-orbite (SOC) dans de nombreux domaines. La plupart des exemples viennent de semiconducteurs, peu corrélés, comme Bi2Te3 pour les isolants topologiques ou GaAs pour des applications en spintronique. Un fort SOC est une propriété générale des éléments lourds, mais son impact dans le domaine des systèmes corrélés a été beaucoup moins étudié. Parmi les systèmes corrélés avec un fort SOC, les iridates sont ceux qui attirent le plus l’attention de la communauté. Ils peuvent former différentes structures, où l’Ir garde en général 5 électrons dans sa couche 5d. Ceci permet de former un état demi-rempli de moment angulaire effectif Jeff=1/2, pour lequel les corrélations et les fluctuations magnétiques quantiques sont renforcées.

Dans ce projet, nous voulons explorer en détail l’impact d’un fort SOC dans les iridates. La force de notre consortium est de rassembler des compétences dans (i) l’élaboration de nouveaux matériaux, (ii) la combinaison de différentes techniques expérimentales et (iii) des approches théoriques de haut niveau. Nous avons identifié trois directions où le SOC pourrait donner lieu à de nouveaux phénomènes.

De nouveaux isolants de Mott – Dans un isolant de Mott, les électrons sont localisés par une forte répulsion Coulombienne. La plupart viennent de métaux de transition 3d (V2O3, cuprates, manganites, etc). Les orbitales 5d sont plus étendues spatialement que les 3d, ce qui réduit cette répulsion et devrait déstabiliser l’état de Mott. Pourtant, beaucoup d’iridates sont isolants, alors qu’ils présentent des bandes partiellement remplies. Ils pourraient réaliser une nouvelle forme d’isolants, les isolants Mott-spin-orbite. Le pérovskite lamellaire Sr2IrO4 est certainement l’exemple le plus étudié. Nous proposons de synthétiser Sr2IrO4 et des composés voisins sous forme de monocristaux, de poudres et de films minces. Nous étudierons différents aspects de leurs propriétés physiques par ARPES, transport, RMN et RIXS. Dans un second temps, nous essaierons de doper ces matériaux pour obtenir des phases métalliques. Très peu de choses sont connues sur les propriétés de ces phases, mais des similarités avec les cuprates ont conduit des théoriciens à prédire que la supraconductivité à haute température y serait possible. Nous testerons cette proposition et clarifierons les similitudes et différences caractérisant ces nouveaux systèmes corrélés.

De nouveaux liquides de spin – Les liquides de spin sont des systèmes où des fluctuations quantiques fortes empêchent le système de s’ordonner, même à température nulle. En dimension supérieure à 1, on les trouve souvent sur des réseaux frustrés, comme le réseau kagomé. Un fort SOC enrichit la situation en créant de nouveaux pseudo-spins Jeff = ½, où les degrés de liberté orbitaux et de spin sont intriqués. Nous étudierons un des premiers exemples découvert : Na4Ir3O8 qui a un réseau tridimensionnel frustré « hyperkagomé ». Sa version dopée en trous, Na3Ir3O8, pourrait réaliser l’état longtemps recherché de liquide de spin dopé.

De nouvelles phases topologiques – Depuis la découverte du graphène en 2005, la physique des fermions de Dirac a donné lieu à deux nouvelles aires de recherche : les isolants topologiques et les semi-métaux de Weyl. Les deux nécessitent un fort SOC et ont été proposé dans les iridates mais pas encore clairement mis en évidence expérimentalement. Nous essaierons de synthétiser le multicouche Sr2IrRhO6, qui a été proposé comme isolant topologique. L’existence des semi-métaux de Weyl a été proposé pour les pyrochlores. Nous testerons cette proposition expérimentalement par le transport et la spectroscopie Raman. Au niveau théorique, une question ouverte concerne la stabilité de cette phase. Nous étudierons ce point dans le contexte de modèles génériques de liaisons fortes.