Fiche de définition de poste d`enseignant chercheur

Fiche de définition de poste d’enseignant chercheur
Campagne 2014
Laboratoire : Laboratoire de Chimie et de Physique Quantiques
Equipe d’accueil : Systèmes étendus et magnétisme
Priorité du laboratoire : 1
Section CNU :
28
Grade : MCF
Profil souhaité : Magnétisme et transport dans les systèmes à propriétés électroniques remarquables
Profil enseignement du poste
Enseignement de physique générale du L1 au M1 – Introduction du calcul formel et utilisation de la
modélisation dans les enseignements de physique de L1 et L2.
Thématique scientifique du poste
1. Domaine scientifique
1.1. Fondements théoriques sous-jacents
L'équipe « Systèmes étendus et magnétisme (SEM) » développe depuis une dizaine d’années une activité de
modélisation et d’études ab initio de molécules et de matériaux aux propriétés électroniques remarquables, telles
que le magnétisme, les effets de magnétorésistance géante, les transitions de spin ou encore les comportements
de molécules aimants. Bien que manifestes à l’échelle macroscopique, ces propriétés sont liées au comportement
quantique de la matière et leur origine microscopique est souvent mal connue. Par ailleurs, elles sont aussi le
résultat d’effets collectifs difficiles à prendre en compte. La complexité de l’étude des systèmes qui abritent ces
propriétés est ici liée d'une part à la dimension des objets traités, d’autre part à la nécessité de prendre en compte
les effets de la corrélation électronique qui jouent un rôle crucial dans ces systèmes dits systèmes de fermions
fortement corrélés. Cette double complexité a donc amené l’équipe SEM à développer une stratégie multiéchelle qui procède en trois étapes : il s’agit (i) dans un premier temps d’étudier au moyen de méthodes très
sophistiquées la spectroscopie de fragments de taille raisonnable (quelques dizaines d’atomes dont deux ou trois
métaux pour les complexes de chimie de coordination) immergés dans un bain de charges reproduisant
l’environnement électrostatique du matériau (pour les matériaux ioniques); (ii) ensuite d’extraire un modèle
approprié (qui reproduit les états de plus basse énergie); (iii) et enfin de procéder à la résolution exacte ou
approchée de ce modèle pour accéder aux propriétés du système dans son ensemble. C’est donc autour de ces
trois axes principaux – calculs précis de chimie quantique, modélisations et résolutions approchées ou exactes de
modèles – que s’articule le profil de ce recrutement.
Afin de réaliser l’étude de la spectroscopie de molécules ou de fragments de systèmes étendus, l’équipe
SEM utilise des méthodes basées sur la fonction d’onde (WFT pour Wave Function Theory) qui permettent de
traiter de façon rigoureuse les corrélations électroniques (non dynamiques et dynamiques) des hamiltoniens Born
Oppenheimer non relativiste et relativiste. Elle utilise aussi des méthodes basées sur la théorie de la fonctionnelle
de la densité (DFT pour Density Functional Theory) non périodique. Les méthodes standards ne fournissant pas
toujours de description satisfaisante des objets qui intéressent l’équipe SEM, celle-ci entretient une collaboration
avec l’équipe « Méthodes et Outils (MO) » du LCPQ et développe ses propres outils, non seulement pour
analyser les différents effets de la corrélation électronique et étendre leur domaine d’application à des systèmes
de plus grande taille par la proposition de nouvelles stratégies moins coûteuses, mais aussi pour extraire et
résoudre des modèles adaptés. Par ailleurs, l’étude de molécules aimants ou de complexes à transition de spin
requiert la détermination des effets liés au couplage spin-orbite et l’équipe a récemment investi dans l’étude des
effets relativistes. Enfin, notons que son intérêt récent pour des systèmes présentant des effets de
magnétorésistance géante tels que les manganites, ou encore la problématique du double échange dans certains
dérivés du graphène et plus généralement pour la spintronique, nécessitera dans un avenir proche l’étude des
propriétés de transport et donc le traitement explicite de matériaux au moyen de la DFT périodique par exemple.
L’équipe SEM souhaite donc étendre ses compétences méthodologiques dans cette direction tout en maintenant
une activité forte dans le domaine de la WFT pour l’étude du magnétisme moléculaire.
Des traitements basés sur la fonction d’onde WFT très précis existent pour de petits systèmes (quelques
dizaines d’atomes) tels que des méthodes de types Interactions de configurations par exemple. Elles permettent
d’avoir accès à la spectroscopie de basse énergie et, grâce aux fonctions d’onde, aux propriétés des systèmes
étudiés et l’équipe souhaite poursuivre une activité méthodologique dans ce domaine, en particulier dans une
approche relativiste. Néanmoins, ces méthodes ne sont actuellement pas utilisables pour les grands systèmes car
la matrice représentative du hamiltonien croît exponentiellement avec le nombre d’électrons. Au contraire, la
DFT (dans un contexte Kohn Sham) qui n’introduit pas les effets de corrélations non dynamiques possède un
domaine d’application bien plus étendu. En particulier, lorsqu‘elle est pratiquée dans un traitement périodique,
elle permet de décrire certaines propriétés des matériaux, telles que les propriétés de transport. La DFT
périodique donne bien sûr accès à la structure électronique et donc, par exemple, à la répartition des charges au
sein du matériau; elle permet également de calculer certains couplages magnétiques lorsqu’elle est pratiquée
dans un formalisme dit non restreint (unrestricted DFT). Ces informations déterminées dans un contexte de prise
en compte des effets collectifs sont complémentaires de celles apportées par les méthodes de type WFT
appliquées à des fragments immergés et devraient permettre à l’équipe SEM de raffiner sa stratégie multi-échelle
en sophistiquant par exemple les bains dans lesquels sont immergés les fragments, ou encore en vérifiant que la
procédure d’immersion n’a pas changé la nature des états de basse énergie des fragments. Finalement,
l’amélioration des méthodes de calculs et d’analyse de l’équipe devrait lui permettre d’étendre ses activités
d’applications à de nouveaux objets d’intérêt pour la spintronique ou dans le domaine encore peu exploré du
magnétisme des complexes de lanthanides et d’actinides.
Lorsque le système est de taille trop importante pour être traité entièrement ab initio, sa modélisation au
moyen d’un hamiltonien simple extrait à partir de calculs précis réalisés sur fragments et la résolution approchée
ou exacte (selon sa taille) de ce modèle, permettent d’accéder à ses propriétés « macroscopiques ». Cette
démarche procure une confrontation directe des résultats théoriques aux observations expérimentales. L’équipe a
programmé plusieurs de ces hamiltoniens modèles (et leur résolution) pour des systèmes isotropes. Elle souhaite
notamment étendre ces programmes aux traitements de systèmes anisotropes, en incorporant des calculs de
l’aimantation et de la susceptibilité magnétique en fonction de la température et du champ magnétique appliqué.
Il convient de noter que même lorsque le système est de taille compatible avec un traitement tout ab
initio, l’extraction de Hamiltoniens modèles reproduisant les états de basse énergie de ces systèmes est cruciale.
En effet, les expérimentateurs dans ce domaine utilisent ces hamiltoniens afin de modéliser les propriétés de
basse énergie des systèmes et extraient les paramètres (interactions modèles) permettant de reproduire au mieux
les propriétés observées par des techniques de « fitting ». La confrontation des extractions réalisées par les
expérimentateurs à celles des théoriciens jouent un rôle fondamental dans la compréhension de ces systèmes
complexes et contribuent à un échange fructueux entre théoriciens et expérimentateurs. Elles permettent, d’une
part de raffiner les modèles utilisés lorsque ceux-ci sont défaillants, d’autre part de remettre en question les
descriptions théoriques et de les améliorer lorsqu’elles s’avèrent insuffisantes. Par ailleurs, l’analyse des spectres
et fonctions d’onde ab initio réalisée dans ce contexte, permet de comprendre les facteurs électroniques et
structuraux qui déterminent les interactions dominantes; ce qui conduit en général à une rationalisation de la
physico-chimie de ces systèmes.
Les enjeux théoriques sont les suivants : (i) caractérisation des propriétés de transport de matériaux
fortement corrélés et de matériaux moléculaires au moyen de la DFT; (ii) utilisation de la DFT pour la
détermination de bains de charges reproduisant l’environnement électrostatique du matériau; ce bain dans lequel
seront plongés les fragments à étudier au moyen de méthodes très sophistiquées de type WFT joue un rôle
crucial dans les matériaux ioniques; (iii) étude des propriétés magnétiques isotropes et anisotropes (dues au
couplage spin orbite) de complexes isolés (iv); caractérisation des propriétés magnétiques de matériaux
fortement corrélés et de matériaux moléculaires au moyen d’une stratégie multi-échelle raffinée; et enfin (v)
modélisation et résolutions approchées ou exactes de modèles isotropes et anisotropes.
1.2. Domaines d’application potentiels
Les domaines d'application potentiels sont évidemment très généraux en chimie théorique, en physicochimie moléculaire et en physico-chimie du solide : molécules organiques, complexes de métaux de transition,
nanoparticules de quelques dizaines d'atomes, matériaux moléculaires et matériaux fortement corrélés,
complexes de lanthanides et d’actinides...
Parmi les diverses applications, l'équipe s'implique tout particulièrement dans les domaines suivants :
1- L’étude de matériaux fortement corrélés à base de métaux de transition. Il s’agit de calculer les interactions
effectives microscopiques qui sont responsables des propriétés magnétiques et de transport. Ces interactions
n’étant pas des observables, il convient de calculer les spectres électroniques de basse énergie et d’extraire au
moyen de la théorie des hamiltoniens effectifs les valeurs de ces interactions. Cette première étape conduit à la
détermination d’un hamiltonien plus simple (modèle) qui pourra ensuite être utilisé sur un échantillon de plus
grande taille afin d’étudier le rôle des effets collectifs. Dans ces sujets les calculs de chimie théoriques
permettent en général de comprendre l’origine microscopique des propriétés observées macroscopiquement et
une importante contribution de l’équipe concerne la rationalisation de ces propriétés. Parmi les systèmes étudiés
dans l’équipe SEM, mentionnons les cuprates, nickelates, manganites dont les propriétés électroniques
remarquables sont multiples, magnétisme, effets magnétorésistifs, supraconductivité, etc. Ces sujets font l’objet
de plusieurs collaborations avec des équipes françaises (Orsay, LCC (Toulouse), Grenoble, Perpignan),
espagnoles (Tarragona, Sevilla) et italiennes (Ferrara).
2- L'étude des propriétés spectroscopiques de polyoxométallates. Ces nanostructures ont de multiples
applications dans les domaines de la médecine par exemple. L’équipe s’attache à déterminer des modèles
susceptibles d’en donner une bonne description et à rationaliser l’origine de leurs propriétés magnétiques. Ce
sujet fait l’objet de collaborations avec des équipes de Versailles, de Valencia et de Tarragona en Espagne et
depuis peu avec la Sibérie dans le cadre de collaborations formalisées.
3- L'étude des propriétés anisotropes d’aimants moléculaires, de nanoparicules magnétiques ou/et de complexes
de lanthanide et d’actinide. Il s’agit ici de calculer les paramètres dit de Zero-Field-Splitting qui résultent d’effets
relativistes et d’un abaissement de symétrie par rapport aux symétries isotropes. Les collaborations sur ce sujet
sont nationales (LCC, Toulouse, ICMMO, Paris et LNCMI, Grenoble, Perpignan) et internationales (Tarragona,
Groningen, Tarragone, Leuven).
4- L’étude de complexes à transition de spin. L’équipe s’attache notamment à identifier les différentes voies
possibles de désexcitation non radiative. Il s’agit ici de calculer les surfaces de potentiel des états excités et
fondamental, les couplages spin-orbite entre ces différents états dans le but de mieux comprendre les propriétés
photochimiques et photophysiques de ces systèmes (LCC, Toulouse, ICMCB, Bordeaux).
5- L’étude de dérivés du graphène. Récemment, l’équipe a proposé des unités à haut spin dérivées du graphène.
Lorsque ces unités sont connectées par des ponts judicieusement choisis, ils peuvent constituer des matériaux
ferromagnétiques, antiferromagnétiques, ferrimagnétiques. Dans une stratégie top-down, les propriétés
magnétiques potentielles de feuillets de graphène régulièrement troués ont été systématiquement explorées.
Lorsqu’elles sont dopées, les architectures composées de plusieurs unités à haut spin peuvent même présenter un
phénomène de double échange, potentiellement responsables de propriétés magnétorésistives intéressantes. Ces
applications font l’objet de collaboration au sein du LCPQ avec les équipes « Méthodes et outils » et « Chimie
des éléments d et f ».
Objectifs de recrutement pour le laboratoire
1.3. Renforcement d’une activité en pleine expansion
Le recrutement a plusieurs objectifs :
- Renforcer et développer les compétences de l'équipe pour traiter les systèmes à propriétés remarquables à partir
de calculs DFT et WFT, en particulier :
(i) Etudes précises de la spectroscopie de petites molécules.
(ii) Raffinement de la stratégie multi-échelle à partir d’études réalisées en DFT périodique.
(iii) Etudes des propriétés de transport à partir de calculs de DFT périodique.
(iii) Etudes méthodologiques et conception de stratégies visant à traiter les systèmes organiques de
grande taille.
- Renforcer l’activité de modélisation de propriétés magnétiques :
(i) Modélisation de spectres RPE,
(ii) Résolutions approchées ou exactes de hamiltoniens de spin isotropes et anisotropes pour des
aimants moléculaires,
(iii) Calculs d’aimantation et de susceptibilité magnétique.
- Développer de nouvelles applications par exemple dans les thématiques de la spintronique ou/et des complexes
de lanthanides et d’actinides:
(i) Conception et étude de nouveaux systèmes dérivés de graphène, présentant du magnétisme et/ou
un mécanisme de double échange,
(ii) Explorations de nouveaux systèmes présentant des effets magnétorésistifs,
(iii) Etude des spectres de basse énergie et rationalisation des propriétés magnétiques observées
dans des complexes de lanthanide et d’actinide.
Le futur MCF utilisera plusieurs programmes standards ainsi que des programmes locaux. Il sera aussi appelé à
développer de nouveaux outils et de bonnes compétences en programmation (FORTRAN ou C++) sont requises.