L'ordre de charge est un état courant à symétrie brisée dans les systèmes électroniques fortement corrélés, que l'on trouve dans les oxydes de métaux de transition, les conducteurs organiques et les matériaux quantiques de basse dimension. Ses propriétés à l'équilibre sont bien étudiées, mais la dynamique hors équilibre et le contrôle de l'ordre de charge restent peu développés. Contrairement à l'ordre magnétique, pour lequel il existe une théorie bien établie de la dynamique de spin et des méthodes de commutation de l'aimantation, il n'existe pas de base microscopique pour l'ordre de charge. Une expérience récente de commutation électrique de la polarité de l'ordre de charge dans LuFe2O4 a montré une analogie phénoménologique avec la commutation de l'aimantation par courant, mais le lien microscopique restait flou. Ce travail comble cette lacune en dérivant la dynamique de pseudo-spin de l'ordre de charge à partir d'un modèle microscopique.
Le point de départ est le modèle de Hubbard étendu avec répulsion coulombienne locale (U) et inter-sites (V). Dans le régime de fort ordre de charge près du demi-remplissage, les états locaux se réduisent à un site vide |0⟩ et un site doublement occupé |2⟩. Ces états forment un pseudo-spin 1/2, où la composante longitudinale τz décrit la configuration de charge locale, et les composantes transverses décrivent les transitions quantiques entre eux. Par une transformation de Schrieffer-Wolff au deuxième ordre en sauts, on obtient un hamiltonien effectif de pseudo-spins avec échange anisotrope : le couplage d'Ising antiferromagnétique Jz stabilise l'ordre de charge, tandis que le couplage transverse ferromagnétique J⊥ assure le transfert cohérent de paires. Ensuite, on introduit un champ électrique externe qui agit comme un champ longitudinal en escalier sur les deux sous-réseaux de pseudo-spins. La dynamique est décrite par les équations de Landau-Lifshitz-Gilbert avec un amortissement phénoménologique de Gilbert. Dans l'approximation macro-pseudo-spin, on introduit des variables collectives : le vecteur d'ordre de charge N (différence des pseudo-spins des sous-réseaux) et la composante uniforme conjuguée M (leur somme). Pour un ordre de charge fort, M est éliminé, et on obtient une équation du mouvement fermée pour N, analogue à l'équation du vecteur de Néel dans un antiferromagnétique.
On obtient une équation du mouvement pour le vecteur d'ordre de charge N, qui contient un terme d'inertie avec une masse effective dépendant du champ électrique, et décrit la précession et l'amortissement. La linéarisation près de l'état d'équilibre donne deux modes circulaires avec des fréquences qui peuvent être accordées par le champ électrique. Le champ de commutation critique Ec est déterminé par la condition de perte de stabilité des fluctuations transverses : à E = Ec, la fréquence du mode collectif s'annule et l'amortissement change de signe, ce qui conduit à une croissance exponentielle des fluctuations et au renversement de la polarité de l'ordre de charge. Pour des paramètres typiques (moment dipolaire p0 ~ eÅ, ZJz ≈ 30 meV, ZJ⊥ ≈ 10 meV), l'estimation donne |Ec| ≈ $10^6$ V/cm et la fréquence du mode collectif ΩCO/2π ≈ 3.4 THz. Ces valeurs sont comparables aux champs coercitifs des ferroélectriques et aux fréquences des excitations de ferron. La simulation numérique à E/Ec = 1.2 montre que la composante longitudinale Nz oscille et passe de +τ0 à −τ0, tandis que la composante transverse Nx croît d'abord en raison de l'instabilité, puis s'amortit. En présence d'un champ uniforme non nul hz (par exemple dû au dopage), la trajectoire acquiert un caractère de nutation, analogue à la dynamique inertielle de l'aimantation.
Ce travail établit le pseudo-spin comme un degré de liberté dynamique microscopique pour la commutation cohérente et le contrôle de l'ordre de charge. Cela fournit un analogue de charge de la théorie bien développée de la dynamique de spin en spintronique. Contrairement aux travaux voisins qui considèrent le glissement des ondes de densité de charge ou la fusion photo-excitée de l'ordre de charge, ici on propose un mécanisme de rotation cohérente du vecteur d'ordre de charge sous l'effet d'un champ électrique. Cela ouvre la voie à un contrôle électrique de l'ordre de charge à l'aide de courants et de couples de pseudo-spin, analogues aux courants de spin. Les résultats permettent également de déterminer séparément les paramètres d'échange Jz et J⊥ à partir des mesures de la fréquence du mode collectif et du champ critique de commutation.
Le sujet peut se développer vers la prise en compte de la dynamique spatialement inhomogène, l'inclusion de termes de gradient et de parois de domaines. Une généralisation aux températures finies est possible, ainsi que la prise en compte du couplage avec le réseau et les phonons, et l'étude du rôle du désordre et des défauts. Il serait également intéressant d'examiner les effets des fluctuations quantiques et la possibilité d'effet tunnel quantique du pseudo-spin. Le lien avec les expériences récentes de commutation ultrarapide de polarité dans LuFe2O4 et d'autres matériaux à ferroélectricité électronique pourrait stimuler la recherche de nouveaux systèmes à ordre de charge contrôlable.
Les résultats pourraient influencer la physique des électrons fortement corrélés, la ferroélectricité, les multiferroïques et la spintronique, en proposant une nouvelle façon de contrôler les degrés de liberté de charge. Sur le plan pratique, cela pourrait conduire à la création de dispositifs de stockage et de traitement de l'information basés sur la commutation de l'ordre de charge.
Les prochaines étapes comprennent la vérification des prédictions dans des expériences avec des champs électriques intenses et une résolution temporelle, par exemple par spectroscopie térahertz ou diffraction ultrarapide. Il est également important d'étudier le rôle des parois de domaines et des inhomogénéités dans les matériaux réels.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de la description microscopique de la dynamique hors équilibre de l'ordre de charge dans les systèmes fortement corrélés. Il propose un mécanisme concret de commutation cohérente, qui faisait défaut auparavant, et relie l'ordre de charge à la dynamique bien étudiée des antiferromagnétiques. Cela comble le fossé entre les modèles statiques de l'ordre de charge et les observations expérimentales de commutations ultrarapides.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Dans ce travail, un modèle effectif de pseudo-spin pour l'ordre de charge est dérivé du modèle de Hubbard étendu dans le régime de couplage fort. On obtient des équations de Landau–Lifshitz–Gilbert analogues à la dynamique antiferromagnétique, et on montre qu'un champ électrique externe agit comme un champ en escalier, provoquant une commutation cohérente de la polarité au-delà d'un seuil.
Où est sa force
Un lien microscopique direct est établi entre l'ordre de charge et la dynamique de pseudo-spin, ce qui fournit une base pour un contrôle électrique par analogie avec l'électronique de spin.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
L'approche de pseudo-spin proposée pourrait devenir un cadre général pour décrire la dynamique hors équilibre des ordres de charge dans divers matériaux et ouvrir la voie à des dispositifs d'électronique de charge.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.53, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
La fréquence des excitations collectives de pseudo-spin de l'ordre de charge se situe dans la gamme térahertz, c'est-à-dire de l'ordre de mille milliards d'oscillations par seconde. C'est un million de fois plus rapide que la fréquence d'images typique au cinéma.