Soutenance de thèse / PhD Defense - Romain Taureau

Romain Taureau, doctorant dans l'équipe Théorie quantique des matériaux (TQM), soutient sa thèse le lundi 3 avril 2023 à 9 h.

Sorbonne Université - Campus Pierre et Marie Curie - 4 Place Jussieu - 75005 PARIS - IMPMC - Barre 22-23 - 4e étage  - salle 401

© IMPMC - Cécile Duflot

Caractérisation de la symétrisation du proton dans le sulfure d’hydrogène supraconducteur

Résumé

Dans ce travail nous avons étudié la transition R3m → Im ̄3m caractérisée par las ymétrisation du proton au sein de l’H 3 S supraconducteur sous pression. Nous avons montré que pour l’étudier, il était nécessaire de se placer dans un cadre intégralement quantique pour décrire aussi bien la partie électronique que la partie ionique, comme suggéré par de précédents travaux. Pour tenir compte précisément des corrélations électroniques, nous avons utilisé le Monte Carlo quantique (QMC) pour les calculs de la partie électronique desquels nous avons dérivé une surface d’énergie potentielle. La partie quantique nucléaire, fortement anharmonique, a été traitée via dynamique moléculaire par intégrales de chemin (PIMD). Cette approche QMC-PIMD nous a permis d’éclairer la nature de la transition en montrant que la symétrisation de l’hydrogène se produit autour de 150 GPa, dans la même gamme de pression pour laquelle Drozdov et al. ont observé un maximum dans la T c. L’effet isotopique observé dans la symétrisation de l’hydrogène pousse la pression critique à 170 GPa pour le D 3 S, conformément au décalage du maximum de la T c mesurée dans les expériences. En utilisant les données QMC comme référence, nous avons pu évaluer la précision des calculs DFT en montrant que la DFT-BLYP donnait une pression critique quantitativement juste, mais cela à partir d’une compensation d’erreurs. Ainsi, nous avons prouvé que la différence observée entre les précédents travaux théoriques basés sur des calculs DFT et les expériences venait en fait de l’approximation de la partie nucléaire plutôt que du choix de la théorie électronique sous-jacente, contrairement à ce que suggéraient certains travaux. Notre approche intégralement quantique offre donc un cadre prometteur dans l’étude des propriétés structurelles pour d’autres superhydrures ainsi que pour explorer la relation entre les transitions structurelles et la température critique de ces supraconducteurs.

Characterization of proton symmetrization in superconducting hydrogen sulfide

Abstract

In this work, we studied the R3m → Im ̄3m phase transition in the H3 Ssuperhydride, driven by the hydrogen symmetrization under pressure. We showed that in order to describe this transition, it is necessary to use a complete quantum framework for both electrons and nuclei, as suggested by previous works. To take into account the electronic correlations precisely, we carried out quantum Monte Carlo (QMC) calculations for the electronic part and derived a QMC-based potential energy surface. The quantum nuclear part, highly anharmonic, was treated by path integral molecular dynamics (PIMD). Our QMC-PIMD approach allowed us to shed light on the nature of the transition by showing that hydrogen symmetrization occurs around 150 GPa, the same pressure range where Drozdov et al.observed a maximum in the superconducting critical temperature T c . Wo found that the isotope effect in the hydrogen symmetrization brings the transition pressure to 170 GPa in D 3 S in agree-
ment with the shift in the T c maximum measured in experiments. By taking the QMC data as benchmark, we assessed the accuracy of DFT calculations and showed that DFT-BLYPgives a quantitatively correct critical pressure arising however from some error cancellation. Thus, we demonstrated the discrepancy observed between previous DFT-BLYP based theoretical calculations and experimental data actually comes from the approximated quantum description of nuclei, rather than from the underlying electronic theory, contrary to what previoulsy claimed. Our fully quantum approach is a promising framework to study the structural properties of other superhydrides and to explore the relation between dynamic structural transitions and superconducting critical temperature.

Jury

• M. Grégory GENESTE, CEA Île-De-France, Rapporteur
• M. Xavier ROCQUEFELTE, Institut des sciences chimiques de Rennes, Rapporteur
• M. Fabio FINOCCHI, Institut des NanoSciences de Paris, Examinateur
• Mme. Julia CONTRERAS-GARCIA, Laboratoire de Chimie Théorique de Paris, Examinatrice
• Mme. Giorgia FUGALLO, Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes, Examinatrice
• M. Michele CASULA , Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie, Directeur de thèse