Doped spin ladders under magnetic field

Echelles de spins dopées sous champ magnétique

Guillaume Roux (1, 2)

1 FFC - Fermions Fortement Corrélés (LPT)
2 LPT - Laboratoire de Physique Théorique

This thesis deals with the physics of doped two-leg ladders which are a quasi one-dimensional and unconventional superconductor. We particularly focus on the properties under magnetic field. Models for strongly correlated electrons on ladders are studied using exact diagonalization and density-matrix renormalization group (DMRG). Results are also enlightened by using the bosonization technique. Taking into account a ring exchange highlights the relation between the pairing of holes and the spin gap. Its influence on the dynamics of the magnetic fluctuations is also tackled. Afterwards, these excitations are probed by the magnetic field by coupling it to the spin degree of freedom of the electrons through Zeeman effect. We show the existence of doping-dependent magnetization plateaus and also the presence of an inhomogeneous superconducting phase (FFLO phase) associated with an exceeding of the Pauli limit. When a flux passes through the ladder, the magnetic field couples to the charge degree of freedom of the electrons via orbital effect. The diamagnetic response of the doped ladder probes the commensurate phases of the t-J model at low J/t. Algebraic transverse current fluctuations are also found once the field is turned on. Lastly, we report numerical evidences of a molecular superfluid phase in the spin-3/2 attractive Hubbard model: at a density low enough, bound states of four fermions, called quartets, acquire dominant superfluid fluctuations. The observed competition between the superfluid and density fluctuations is connected to the physics of doped ladders.

Cette thèse aborde des questions relatives à la physique des échelles de spins dopées connues pour être un supraconducteur quasi-unidimensionnel et non conventionnel. Un accent particulier est mis sur les propriétés sous champ magnétique. Les modèles d'électrons fortement corrélés sur ces échelles sont étudiés en utilisant les méthodes numériques adaptées à la physique unidimensionnelle que sont la diagonalisation exacte et le groupe de renormalisation de la matrice densité (DMRG). Les résultats sont également éclairés par les interprétations issues de la théorie du liquide de Luttinger. La prise en compte d'un terme d'échange cyclique met tout d'abord en évidence le rôle des fluctuations magnétiques dans le mécanisme d'appariement des trous. Son influence sur la dynamique des excitations de spin est également présentée. Ces excitations sont ensuite sondées en couplant le spin des électrons au champ magnétique par effet Zeeman. On montre alors l'existence de plateaux d'aimantation contrôlés par le dopage en trous ainsi que d'une phase supraconductrice inhomogène de type FFLO associée à un dépassement de la limite de Pauli. Lorsqu'un flux traverse l'échelle, le champ magnétique se couple à la charge de l'électron par effet orbital. La réponse diamagnétique orbitalaire de l'échelle dopée permet de sonder les phases commensurables du modèle t-J présentes à faible J/t. Des fluctuations de courant transverse sont également observées dès que le champ magnétique est branché. Enfin, ce manuscrit rapporte des résultats numériques sur le modèle de Hubbard attractif de spin 3/2 qui révèlent l'existence d'une phase moléculaire superfluide d'états liés à quatre fermions : les quartets. La compétition observée entre fluctuations
de charge et superfluidité est mise en perspective avec les résultats sur les échelles dopées.

Mots clés: strongly correlated electrons; low-dimensional systems; superconductivity; magnetic field; numerical methods

Mots clés: électrons fortement corrélés; systèmes de basse dimensionnalité; supraconductivité; champ magnétique; méthodes numériques

Domaines: Supraconductivité [cond-mat.supr-con]

Guillaume Roux. Echelles de spins dopées sous champ magnétique. Supraconductivité [cond-mat.supr-con]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00167129⟩