Ground state phase diagram and effects induced by non-magnetic impurities in doped two-leg Cu-O hubbard ladders
par Piotr Chudzinski
Thèse de doctorat en Physique
Sous la direction de Marc F. Gabay.
Soutenue en 2008
à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .
mots clés-
Titre traduit
Diagramme de phase des échelles de Hubbard Cu-O à deux montants et évolution en présence d'impuretés non-magnétiques.
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Résumé
Thèse rédigée entièrement en anglais
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Résumé
Ce thèse est consacré à l’étude théorique des échelles Cu-O à deux montants dans le cadre du modèle de Hubbard. La problématique qui a été abordée ici est liée à la question de l’importance éventuelle, pour la physique des échelles, de prendre en compte le motif moléculaire que l’on trouve dans la cellule unité (concrètement, nous incluons explicitement les orbitales d'oxygène dans notre analyse). Le manuscrit est divisé en deux parties: dans la première, nous établissons le diagramme de phase du système pur; dans la deuxième nous étudions les états de l’échelle en présence d’impuretés à fort pouvoir diffusant. Au premier, à la limite d’un faible couplage, nous établissons le diagramme de phase d'une échelle Cu-O à deux montants en fonction du dopage. Nous développons une procédure, qui nous permet de traiter les nouveaux degrés de liberté. Des différences sont trouvées par rapport au cas d'une échelle Cu-Cu: pour une plage de dopages intermédiaires nous mettons en évidence l'existence d’une nouvelle phase critique. Au dessus d’une valeur seuil de l’intégrale de saut entre atomes d'oxygène, nous prédisons l’existence d’un état qui consiste en une structure incommensurable de courants orbitaux superposée à une onde de densité. Dans la deuxième partie, pour toutes les phases décrites ci-dessus, nous avons déterminé comment une impureté diffusant fortement affecte l'état du système dans son voisinage. Nous trouvons deux régimes distincts (Kondo et deux bandes) correspondant respectivement à un faible et à un fort dopage des échelles. Les prédictions ayant une signature expérimentale spécifique sont faites sur la base de nos résultats, notamment concernant des mesures de RMN et de STM.
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Résumé
This thesis is devoted to the study of two leg Cu-O ladders in the theoretical framework of the Hubbard model. In particular it focuses on the important issue of the impact, if any, of including oxygen atoms in the elementary cell. The manuscript is divided into two parts: in the former, the aim is to establish the ground state phase diagram of the pure system; in the latter the physics around impurities is investigated. In the first part, working in the weak coupling limit, we establish the phase diagram of a two-leg ladder with a unit cell containing both Cu and O atoms, as a function of doping. Significant differences are found with the single orbital case; a completely massless quantum critical region is obtained at intermediate carrier concentrations (well inside the bands). For some finite value of direct hopping between oxygen atoms the ground state consists of an incommensurate pattern of orbital currents plus a spin or charge density wave structure. In the second part, we determined how a single, strong impurity affects the state of the system in its vicinity, for all of the above phases. We find two distinct regimes, one for low and one for high carrier dopings; in the former case, the physics appears to fall into the two-channel Kondo class, while in the latter it corresponds to a the generalization of single chain case. Experimentally testable predictions were made based on our findings and we discuss them (particularly the bulk and boundary NMR, and the scanning tunnelling microscopy (STM) boundary measurements).
