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 Bednorz,Mueller Genève, Sherbrooke,Orsay 1911 1986 2001

Evolution des Tc

. . 1D Surfaces de Fermi 3D et 1D Q = 2kF Hg TMTSF2PF6 k Discontinuité de la distribution éléctronique n(k) Hg k// k . . -kF +kF 1D TMTSF2PF6 Q = 2kF

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 l is mass independent Isotopic effect in the BCS theory Molecule of Little, 1964 Lattice polarization Electronic polarization !! Problems !! 1-D Conductor No long range order and Coexistence of BCS and Peierls correlations

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 Diffraction diffuse des rayons X Le sel de Krogmann KCP K2Pt(CN)4Br 0.33 H20 Remplissage incommensurable Comes, Renker,Shirane, 1972 H. Schulz 1980 T>Tcm T<Tcm

F.Wudl, D.Cowan, A.Garito and A.Heeger 1973 1979 Bechgaard

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

r=0. 54 (300K) TTF-TCNQ: 2-chain charge - transfer compound An attempt towards organic superconductivity,1973 F.Denoyer et al PRL,35,475,1975 TTF r=0. 54 (300K) 2kF Peierls distortion, Tp=54K Soft phonon mode-Kohn anomaly 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 fluctuati ng conduction Loss of s in the x 3 commensurability // commensurability l =3b b domain : 14-19 kbar Commensurability pinning Preuve de l’existence de fluctuations de Frohlich D.J and H.J.Schulz, Adv in Physics , 31,299,1982

Molecular resolution of TTF-TCNQ ab plane at T=63K Imaging TTF-TCNQ Molecular resolution of TTF-TCNQ ab plane at T=63K TTF TCNQ From Z.Z.Wang ISCOM ’01 and PRB 67,121401,2003 CDW on TTF-TCNQ ab plane at T=35.6K Peierls CDW ordering lb=3.39b, la=4a

View along the c-axix T=63K 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 lb=3.6b, la=2a on TCNQ chains Full ordering at 38K 2kF and 4a b* a* T=33K

r = 0.5 détérminé par diffusion X TMTSF-DMTCNQ, un composé charnière, 1979 r = 0.5 détérminé par diffusion X

Electrocrystallization/Bechgaard – TMTSF TMTSF •+ -e 2(TMTSF) + PF - --------> [(TMTSF) PF ] 6 2 6 at anode Non aquous solvent (pure):THF electrolyte Bu 4 N + PF 6 – K.Bechgaard, JACS. 1981,103,2440 film

The Bechgaard salt: TM2X: TMTSF 1/2 hole per organic cation molecule -->One dimensional conductor with finite transverse coupling -->Quarter filled band c b (TMTSF)2X, X=PF6-,…. ClO4-,. TMTTF : atoms S (Fabre) TMTSF : atoms Se (Bechgaard) 1979 a c

1D Fermi surface Q = (0.5a*) 2kF, 0.25 b* 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 Antiferro Itinérant SDW SC Coexistence isolant/supra P T métal 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 . 4 1 K longitudinal resistance :rxx0 P=8.5 kbar 1 5 4 3 2 5 -2 Rxy N=0 . 3 7 K 6 Hall resistance quantized : rxy=1/n (h/2e2) In high fields : N=0 phase : SDW , rxy=unknown, rxx 4 2 4 6 8 1 1 2 J.R.Cooper et al PRL,63,1984,1989 (T.Vuletic,thesis,2000)) H ( T )

Le diagramme générique TM2X D.J The physics of organic superconductors Science 252, 1509, 1991

Spin-charge separation in Fabre-Bechgaard salts Transport and susceptibility in TM2X r(Wcm) Tr Tr TSC TSDW r degrees of freedom decoupled from s C.Bourbonnais Cargese School

Irsee 1991 Gordon conference

Excitations électroniques 3D/1D Collective modes

Pseudo gap at Fermi level Decoupled collective modes, spin and charge 1D Physics, power laws Nesting : w(k) k w(k) k BCS Peierls Mixture 1D Fermi liquid => c(T)=ln EF/T => finite Tc !! D(w) w a EF Luttinger liquids Pseudo gap at Fermi level Decoupled collective modes, spin and charge => No phase transition in the 1D interacting gas

Commensurate 1D conductor, quarter filled band g3= Umklapp interaction (commensurability, Dq and lattice) => Mott localisation Kr critic Renormalization flow Commensurability 4 More repulsive interactions needed for a Mott insulator in 1/4 filled band Quarter-filled 1D band (case of TM2X) Interaction T.Giamarchi Quantum Physics in One Dimension T.G Oxford Press (2004)

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 @ 9.5kbar @ 1 bar Tc 0.9 K 1.2 K 0.2 T 0.16 T 7 T ? 4-5 T 5 T ? 5 T? 1.8 T 2.2 T Supra p ? NMR Knight shift Triplet SC NMR 1/T1 T3 law? Specific heat (Cv) nodeless Supra p, d ou (d puis p)? La controverse fait rage!! Thermal conductivity nodeless Tunnelling ? ? Non magnetic impurities nodes Non conventionnelle

Quelques supras d’actualité 13 22 k-(BEDT-TTF)2X 40 Temperature Pressure AF SC MI Metal D8-Br H8-Br Cu(NCS)2 I3 H8-Cl 100 Metal AF SC SC Hole doping Electron doping

Organique ou non ?

Ce qu’en pense Anderson

Les prochains défis Chimie Physique 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 N.Joo et al, EPJB (2004) N.Joo et al, soumis a EPL

Composé organique 2D k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br Plan conducteur Régions isolantes Plan conducteur

Phase k-(BEDT-TTF)2X phase  1/2 remplissage Isolant de Mott 13 22 k-(BEDT-TTF)2X 40 Temperature Pressure AF SC MI Metal D8-Br H8-Br Cu(NCS)2 I3 H8-Cl phase  1/2 remplissage Isolant de Mott 2 thèses: Lefebvre, Limelette ‘Haut-Tc’ : Tc,max=13 K Réseau triangulaire => frustration magnétique

La supraconductivité organique k-(BEDT-TTF)2X 13 22 k-(BEDT-TTF)2X 40 Temperature Pressure AF SC MI Metal D8-Br H8-Br Cu(NCS)2 I3 H8-Cl Power law / Exponential Power law/ Exponential Penetration depth nodes Tunnelling Power law Thermal conductivity Exponential T2 law/ Specific heat (Cv/T) T3 law NMR 1/T1 Singlet SC NMR Knight shift 17.3 T 21.3 T 35 T 40 T ? 5.2 T 10 T 9.4 K 11.6 K Tc NCS Br Hc2//>HP Supra d Certains groupes voient s