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Supraconductivité à haute température dans les cuprates et les organiques: Où en est-on? André-Marie Tremblay Collège de France, 9, 16, 23 et 30 mars 2015 17h00 à 18h30

Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

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Page 1: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Supraconductivité à haute température dans les cuprates et les organiques:

Où en est-on?

André-Marie Tremblay

Collège de France, 9, 16, 23 et 30 mars 201517h00 à 18h30

Page 2: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Two pillars of Condensed Matter Physics

• Band theory– DFT– Fermi liquid Theory

• Metals• Semiconductors: transistor

• BCS theory of superconductivity– Broken symmetry– Emergent phenomenon

• Also in particle physics, astrophysics…

Page 3: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Breakdown of band theoryHalf-filled band is metallic?

Page 4: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Half-filled band: Not always a metal

NiO, Boer and Verway

Peierls, 1937 Mott, 1949

Page 5: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

tU

t’t’’

H ij t i,j ci cj cj ci U i ni niH ij t i,j ci cj cj ci U i ni ni

Hubbard model

1931-1980

tEffective model, Heisenberg: J = 4t2 /U

Page 6: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

High temperature superconductorsand layered organic superconductors

Failure of BCS theory

Band structureand more

Page 7: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

New and old superconductors

H. Takahashi: JPSJ Online—News and Comments [June 10, 2008]

Page 8: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

- New York Times headlines"The Woodstock of Physics"

"They began lining up outside the New York Hilton Sutton Ballroom at 5:30PM for an evening session that would last until

3:00 AM"

March meeting APS, 1987

15-18 Aug. 1969500,000 participants

Page 9: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et
Page 10: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

© A. Reymbaut

Page 11: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Atomic structure

Page 12: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Band structure for high Tc

W. Pickett, Rev. Mod. Phys. 1989

Page 13: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

CDW

Our road mapTh

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de F

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,U

nive

rsité

de

Sher

broo

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Page 14: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Hubbard on anisotropic triangular lattice

Kagawa et al. Nature Physics5, 880 (2009)

H. Kino + H. Fukuyama, J. Phys. Soc. Jpn 65 2158 (1996), R.H. McKenzie, Comments Condens Mat Phys. 18, 309 (1998)

meV 50t meV 400U

t’/t ~ 0.6 - 1.1

n=1, varying t’/t

Page 15: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Phase diagram for organics

Phase diagram (X=Cu[N(CN)2]Cl)S. Lefebvre et al. PRL 85, 5420 (2000), P. Limelette, et al. PRL 91 (2003)

40

30

20

10

0

T (

K)

6004002000

P (bar)

AF

U-SCAF/SC

PI

M

F. Kagawa, K. Miyagawa, + K. Kanoda PRB 69 (2004) +Nature 436 (2005)

Powell, McKenzie cond-mat/0607078

Bg for C2h and B2g for D2h

Page 16: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Perspective

U/t

t’/t

t

tt’

t

tt’

Page 17: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Phase diagram BEDT

40

30

20

10

0

T (

K)

6004002000

P (bar)

AF

U-SCAF/SC

PI

M

t’ = 0.6t

Y. Kurisaki, et al. Phys. Rev. Lett. 95, 177001(2005)

Y. Shimizu, et al. Phys. Rev. Lett. 91, (2003)

X= Cu2(CN)3 (t’~ t)

t

tt’

Page 18: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Doped organic

H. Oike, K. Miyagawa, H. Taniguchi, K. Kanoda PRL 114, 067002 (2015)

Page 19: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Doped BEDT

H. Oike, K. Miyagawa, H. Taniguchi, K. Kanoda PRL 114, 067002 (2015)

Page 20: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Crossover to doped Mott insulator

H. Oike, K. Miyagawa, H. Taniguchi, K. Kanoda PRL 114, 067002 (2015)

Page 21: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

2. The model

H ij t i,j ci cj cj ci U i ni niH ij t i,j ci cj cj ci U i ni ni

Page 22: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

tU

t’t’’

H ij t i,j ci cj cj ci U i ni niH ij t i,j ci cj cj ci U i ni ni

Hubbard model

1931-1980

Attn: Charge transfer insulator P.W. Anderson

Page 23: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

H ij t i,j ci cj cj ci U i ni niH ij t i,j ci cj cj ci U i ni ni

U = 0

ci1N k eik rick

H k, kck ck

|k,

ck |0

Page 24: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

tij = 0

H ij t i,j ci cj cj ci U i ni niH ij t i,j ci cj cj ci U i ni ni

U

U2N

|i

c ij

c j |0

Page 25: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Interesting in the general case

H ij t i,j ci cj cj ci U i ni niH ij t i,j ci cj cj ci U i ni ni

tEffective model, Heisenberg: J = 4t2 /U

Page 26: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Outline

• Lecture 1: overview– What is the problem– Possible approaches and answers for organics

• Lecture 2 : h-doped– Strongly correlated superconductivity– Normal phase (pseudogap)

• Lecture 3: e-doped cuprates – Spin wave exchange (TPSC)– AFM quantum critical point

• Lecture 4– More on cluster generalizations of DMFT

Page 27: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Outline

For references, September 2013 Julich summer schoolStrongly Correlated Superconductivity

http://www.cond-mat.de/events/correl13/manuscripts/tremblay.pdf

CDW

345

6

7

98

Page 28: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

3. A normal, normal state?

Page 29: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

CDW

Our road mapTh

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,U

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Page 30: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

h-doped are strongly correlated: evidence from the normal state

Page 31: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Mott-Ioffe-Regel limit

ne2m

n 12 d kF

2

12 d kF

2 e2m

kFm

12 d kFe2

kF2

F2

MIRe2

d

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Mott-Ioffe-Regel limit

ne2m

n 12 d kF

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2 e2m

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12 d kFe2

kF2

F2

MIRe2

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Hole-doped cuprates and MIR limit

Dominic Bergeron & AMST PRB 2011

TPSC

LSCO 17%, YBCO optimal

Page 34: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Experiment, X-Ray absorption

Chen et al. PRL 66, 104 (1991)

Meinders et al. PRB 48, 3916 (1993)

Page 35: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Not obvious: Charge transfer insulator

Meinders et al. PRB 48, 3916 (1993)

Page 36: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Experiment: X-Ray absorption

Chen et al. PRL 66, 104 (1991)

Peets et al. PRL 103, (2009), Phillips, Jarrell PRL , vol. 105, 199701 (2010)

Number of low energy states above scales as 2x +Not as 1+x as in Fermi liquid

Meinders et al. PRB 48, 3916 (1993)

Page 37: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Hall coefficient

Ando et al. PRL 92, 197001 (2004)

x = 0.25

Page 38: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Density of states (STM)

Khosaka et al. Science 315, 1380 (2007);

Page 39: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Spin susceptibility (Knight shift): Pseudogap

Underdoped Hg1223Julien et al. PRL 76, 4238 (1996)

Page 40: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

ARPES: (Pseudogap)

Ronning et al. (PRB 2003)

Page 41: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

4. e-doped cuprates

Less strongly coupled: evidence fromthe normal state

Page 42: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Electron-doped and MIR limit

Onose et al. 2004

NCCO

Dominic Bergeron et al. TPSCPRB 84, 085128 (2011)

Page 43: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

5. Weakly and strongly correlatedantiferromagnets

What is a phase?

Page 44: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

CDW

Our road mapTh

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is L

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erté

,U

nive

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de

Sher

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Antiferromagnetic phase: emergent properties

• Some broken symmetries• Time reversal symmetry• Translation by one lattice spacing• Unbroken Time-reversal times translation by lattice vector a

– Spin waves– Single-particle gap

Page 46: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Differences between weakly and stronglycorrelated

• Different in ordered phase (finite frequency) – Ordered moment – Landau damping

• Spin waves all the way or not to J

• Different, even more, in the normal state: – metallic in d = 3 if weakly correlated– Insulating if strongly correlated– Pressure dependence of TN

Page 47: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Local moment and Mott transition

T

U

n = 1, unfrustrated d = 3 cubic lattice

J = 4t2 /UAFM

Slater Heisenberg

Mott

Page 48: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Local moment and Mott transition

T

U

n = 1, d = 2 square lattice

M I

Understanding finite temperature phase from a mean-field theory down to T = 0

Critical point visible in V2O3,

BEDT organics

DMFT

Page 49: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Strong vs weak correlations

Contrasting methods

Page 50: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Ordered state

• Mean-field (Hartree-Fock) for AFM

Schrieffer, Wen, Zhang, PRB 1989

Page 51: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

More methods for ordered states, n=1

– Numerically, stochastic series expansion,– High-temperature series expansion,– Quantum Monte Carlo– World-line – Worm algorithms – Variational methods

• Ground state of S=1/2 in d=2 is AFM, not spin liquid

Page 52: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

In paramagnetic state

Page 53: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Theory difficult even at weak to intermediate correlation!

• RPA (OK with conservation laws)– Mermin-Wagner– Pauli

• Moryia (Conjugate variables HS <– Adjustable parameters: c and Ueff– Pauli

• FLEX– No pseudogap– Pauli

• Renormalization Group– 2 loops

XXX

Zanchi Schultz, (2000)Rohe and Metzner (2004)Katanin and Kampf (2004)

= +1

32 21

3 3

12

2

3

4

5-

Vide

Page 54: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Two-Particle Self-Consistent (idea)• General philosophy

– Drop diagrams– Impose constraints and sum rules

• Conservation laws• Pauli principle ( <n > = <n > )• Local moment and local density sum-rules

• Get for free: • Mermin-Wagner theorem• Kanamori-Brückner screening• Consistency between one- and two-particle G = U<n n- >

Vilk, AMT J. Phys. I France, 7, 1309 (1997); Allen et al.in Theoretical methods for strongly correlated electrons also cond-mat/0110130

(Mahan, third edition)

Page 55: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Doped Mott insulator : strong correlations

Normal state

Page 56: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

At strong coupling

• Gutzwiller• Variational approaches• Slave particles (Review: Lee Nagaosa RMP)• Extremely Correlated Fermi liquids (Shastry)

Page 57: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

YRZ

K.-Y. Yang, T.M. Rice, and F.-C. Zhang, Phys. Rev. B 73, 174501 (2006)See numerous papers of Carbotte and Nicol and detailed discussions in

K. Le Hur and T.M. Rice, Annals of Physics 324, 1452 (2009)

Page 58: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Method

“The effect of concept-driven revolution is to explain old things in new ways. The effect of

tool-driven revolution is to discover new things that have to be explained.” Freeman Dyson Imagined Worlds

Page 59: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Mott transition and Dynamical Mean-Field Theory. The beginnings in d = infinity

• Compute scatteringrate (self-energy) of impurity problem.

• Use that self-energy( dependent) for lattice.

• Project lattice on single-site and adjustbath so that single-site DOS obtained bothways be equal.

W. Metzner and D. Vollhardt, PRL (1989)A. Georges and G. Kotliar, PRB (1992)

M. Jarrell PRB (1992)A. Georges et al. RMP (1996)

Bath

DMFT, (d = 3)

Page 60: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

DCA

2d Hubbard: Quantum cluster method

C-DMFTV-

DCA

Hettler …Jarrell…Krishnamurty PRB 58 (1998)Kotliar et al. PRL 87 (2001)M. Potthoff et al. PRL 91, 206402 (2003).

REVIEWSMaier, Jarrell et al., RMP. (2005) Kotliar et al. RMP (2006)AMST et al. LTP (2006)

Page 61: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

+ and -

• Long range order:– Allow symmetry breaking in the bath (mean-field)

• Included:– Short-range dynamical and spatial correlations

• Missing: – Long wavelength p-h and p-p fluctuations

Page 62: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Details on method in Lecture 4

Page 63: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Many active groups

• Paris: A. Georges, M. Ferrero, O. Parcollet

• Rutgers: K. Haule, G. Kotliar,

• Bâton Rouge: M. Jarrell• Columbia: A. Millis• Michigan: E. Gull• Oakridge: Th. Maier,

S.Okamoto• Tokyo: M. Imada,

Motome, Sakai• Julich: A. Liebsch

• Graz: M. Aichhorn• Hamburg: Potthoff• LPS: M. Civelli• ESRF: L. de Medici• Trieste: M. Capone• Vienna: Held• Royal Holloway: G. Sordi• Sherbrooke: D. Sénéchal, B.

Kyung, P. Sémon, A.-M.S. Tremblay

Page 64: Supraconductivité à haute température dans les cuprates et

Bio break

A.-M.S. Tremblay“Strongly correlated superconductivity”

Chapt. 10 : Emergent Phenomena in Correlated Matter Modeling and

Simulation, Vol. 3, E. Pavarini, E. Koch, and U. Schollwöck (eds.)

Verlag des Forschungszentrum Jülich, 2013