Highlights

Single Atom Vibrational Spectroscopy in the Scanning Transmission Electron Microscope 

Les défauts ponctuels peuvent modifier de manière significative la réponse vibrationnelle locale des matériaux et, ultimement, leurs propriétés macroscopiques. Si l’existence d’une signature spectroscopique localisée à l’échelle atomique de ces défauts est discutée de longue date, elle n’a jamais pu être mise en évidence jusqu’à présent par les techniques conventionnelles qui moyennent typiquement l’information sur des échelles de longueur beaucoup plus grandes. Dans ce travail, nous avons utilisé pour la première fois la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons dans un microscope électronique en transmission, pour identifier la réponse vibrationnelle d’une impureté substitutionnelle dans un film de graphène. Les calculs ab initio nous ont permis d’interpréter ces signatures spectroscopiques comme des modes pseudo-localisés, résultant de l’hybridation entre les vibrations propres du défaut et le continuum du graphène.

Référence

"Single Atom Vibrational Spectroscopy in the Scanning Transmission Electron Microscope"

F. S. Hage, G. Radtke, D. M. Kepaptsoglou, M. Lazzeri, Q. M. Ramasse, SCIENCE 367, 1124 (2020)

L’énigmatique état magnétique du fer sous pression dévoilé 

Le magnétisme du fer sous pression (fer-ε) - un constituant majeur du coeur de la Terre - est l'objet d’intenses débats depuis plusieurs décennies : la théorie, qui prédit le magnétisme, est en désaccord avec l'expérience, qui ne l'a pas encore détecté. Une équipe des chercheurs, dont la composante théorique est constituée par des membres de TQM, a proposé une nouvelle image du fer-ε, où les moments magnétiques atomiques fluctuent non seulement dans leur orientation relative, mais aussi en valeur absolue. Ce nouvel état a été qualifié de «smectique de spin», car il ne présente pas d'ordre à longue portée, conformément aux résultats expérimentaux. Cela permettrait de mieux comprendre les propriétés atipiques du fer, comme la supraconductivité sous pression.

Référence

"Epsilon-iron as a spin-smectic state"

B. W. Lebert, T. Gorni, M. Casula, S. Klotz, F. Baudelet, J. M. Ablett, T. C. Hansen, A. Juhin, A. Polian, P. Munsch, G. Le Marchand, Z. Zhang, J.-P. Rueff, and M. d’Astuto, PNAS 16 (41), 20280 (2019)

Nouvelle approche pour la corrélation électronique en science des matériaux 

Nous avons développé une approche de structure électronique qui combine l’ef cacité de la théorie de lafonctionnelle de la densité avec la précision de la théorie des perturbations à plusieurs corps, permettant une description plus systématique des corrélations. La méthode a été testée sur différents systèmes corrélés. Enparticulier, des résultats très précis ont été obtenus dans les cas dif ciles des liaisons hydrogène et van derWaals, importantes pour décrire les cristaux moléculaires et les matériaux en couches minces.

 Référence

"Beyond the random phase approximation with a local exchange vertex"

M. Hellgren, N. Colonna, S. de Gironcoli, PHYSICAL REVIEW B 98, 045117 (2018)

Extending ab-initio modelling to vibrational electron energy loss spectroscopy

By combining microscopic density functional theory calculations with the electrostatic  formalism necessary to account for the experimental specificities of electron energy loss spectroscopy (EELS) as implemented in the transmission electron microscope, we showed how a quantitative description of the experimental spectra obtained on molecular crystals in the vibrational range of frequencies can be reached.

Reference

"First-principles vibrational electron energy loss spectroscopy of β-guanine"

G. Radtke, D. Taverna, M. Lazzeri and E. Balan, PHYSICAL REVIEW LETTERS 119, 027402 (2017)

Probing the quantum thermal fluctuations of nuclei by X-ray absorption spectroscopy and Nuclear Magnetic Resonance

In material sciences, local spectroscopies such as X-ray absorption (XANES) and solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) are commonly interpreted using ab-initio calculations performed assuming an equilibrium static lattice. Yet, nuclear motion affects spectra even when reduced to the zero-point motion at 0 K. For instance, the nuclear dynamics generates specific discrepancies between standard calculations and measurements, such as an additional XAS pre-edge peak involving forbidden electronic transitions and inaccurate assignment of NMR resonance peaks. We developed a theoretical framework based on DFT that includes quantum thermal fluctuations in the calculation of the XAS cross-section and NMR parameters (chemical shifts, quadrupolar coupling constants), and allows a good description of the temperature effects observed experimentally.

Reference

"Temperature dependence of X-ray absorption and nuclear magnetic resonance spectra: probing quantum vibrations of light elements in oxides."

Nemausat R., Gervais C., Brouder C., Trcera N., Bordage A., Coelho-Diogo C., Florian P., Rakhmatullin A., Errea I., Paulatto L., Lazzeri M. and Cabaret D. PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 19, 6246–6256 (2017)

Exchange interaction and the charge-density-wave instability in TiSe₂

The exchange interaction is due to the exchange symmetry of the wave function of indistinguishable particles, and hence of quantum mechanical origin. In standard ab-initio calculations based on local approximations to the exchange-correlation energy (e.g. LDA and GGA) this interaction is only partially captured. In this work we show that the fully nonlocal description of exchange is needed to capture the physics of TiSe₂. The exchange interaction provides two competing effects, a short range repulsive interaction, important for the electronic band structure, and a long-range attractive electron-hole interaction which cooperates with the electron-phonon interaction to induce the charge-density-wave transition in TiSe₂.
 

Reference

"Critical Role of the Exchange Interaction for the Electronic Structure and Charge-Density-Wave Formation in TiSe₂"

Hellgren M., Baima J., Bianco R., Calandra M., Mauri F., and Wirtz L., PHYSICAL REVIEW LETTERS 119, 176401 (2017)

Rashba coupling amplification by a staggered crystal field

There has been increasing interest in materials where relativistic effects induce non-trivial spin splittings with promise for spintronics applications. Sizable splittings have been hitherto obtained using heavy elements, where the Rashba spin-orbit coupling is intrinsically strong. This paradigm has been broken by our finding of a large Rashba coupling in the BaNiS2, where nickel is spin-orbit active, despite its low Z number. This unexpected result in the absence of heavy elements demonstrates an effective mechanism of Rashba coupling amplification that may foster spin-orbit band engineering.

Reference

"Rashba coupling amplification by a staggered crystal field"

David Santos-Cottin, Michele Casula, Gabriel Lantz, Yannick Klein, Luca Petaccia, Patrick Le Fèvre, François Bertran, Evangelos Papalazarou, Marino Marsi & Andrea Gauzzi Nature Communications, 7, 11258 (2016)