Study of double exchange phenomenon: from microscopic origins to collective properties
Etude du phénomène de double échange : de l’origine microscopique aux propriètés collectives
Résumé
The materials like nickelates and manganites, show extraordinary
magneto-electric properties originating from the double exchange (DE)
phenomenon. In this work we try to understand the origin of these properties,
not only at the microscopic level, by studying systems with two magnetic
centers, but also at the macroscopic level, by studying collective effects in
systems with varying sizes. The first part consists of an {it ab initio} study
of a series of five conjugated organic systems, with two magnetic centers each,
which are susceptible to exhibit DE phenomenon. The low lying eigenstates are
used to extract the parameters of the DE Hamiltonian and substantiate the
model. Thus, we show that there exist conjugated organic systems which could,
in principle, possess magneto-electric properties similar to those observed in
materials formed of transition metal oxides. The second part consists of
a detailed study of the collective properties of the double exchange
Hamiltonian in one dimensional systems of variable size. One dimensional chains
made up of sites with two orbitals each and one or two electrons per site are
studied with exact diagonalization methods. Novel tools have been developed to
quantify the size of the ferromagnetic polaron and the amount of electron
delocalization in the resulting ground state. Finally, we show how a magnetic
field could bring about a drastic change in the electron delocalization in the
system for a given doping ratio.
Les matériaux tels les nickelates et les manganites, montrent des propriétés
magnéto-électriques intéressantes liées au phénomène de double échange.
L’objectif principale de ce travail est d’étudier le mécanisme de ce phénomène
afin d’en comprendre l’origine, à la fois microscopique, par la détermination
des interactions dominantes dans des composés moléculaires à deux centres
magnétiques et macroscopique, par l’étude des effets collectifs dans des
systèmes de plus grande taille. La première partie consiste en une étude par
des méthodes ab initio de séries de systèmes organiques conjugués qui
présentent un phénomène de double échange. Les énergies et fonctions d’onde du
bas du spectre sont utilisées pour extraire les interactions du modèle de
double échange. Par cette analyse nous montrons qu’il existe des systèmes
organiques conjugués susceptibles de posséder des propriétés
magnéto-électriques similaires à celles observées dans les matériaux constitués
de métaux de transition. La deuxième partie est consacrée à une étude détaillée
des propriétés collectives du modèle de double échange dans des systèmes
monodimensionnels de taille variable. Des chaînes 1D de sites à deux orbitales
et un ou deux électrons par sites sont étudiées au moyen de diagonalizations
exactes. Nous avons développé des outils d’analyse afin d’étudier l’extension
spatiale du polaron ferromagnétique et la délocalisation dans l’état
fondamental. Enfin nous montrons comment le champ magnétique peut provoquer
un
changement drastique de la délocalisation électronique et par conséquent de la
conductivité en fonction du dopage.
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