Characterization of metallic and insulating properties of low-dimensional systems

Caractérisation des propriétés métalliques et isolantes pour des systèmes de basse dimensionalité Dans cette thèse nous avons étudié des indicateurs visant à caractériser les propriétés métalliques ou isolantes de systèmes de basse dimensionnalité à partir de calculs théoriques basés sur la fonction d'onde. Ces systèmes sont intéressants car ils permettent une compréhension en profondeur des phénomènes physiques qui peuvent ensuite être extrapolés à des systèmes plus étendus. Afin de réaliser cette étude nous avons utilisé un nouvel outil basé sur la théorie de la conductivité de Kohn : le tenseur de délocalisation total ou total position spread-tensor (TPS). Ce tenseur est défini comme le second cumulant de l'opérateur position : ? = <?|X2|?> - <?|X|?>2. Divisé par le numéro des électrons, il diverge quand la fonction d'onde est fortement délocalisée (forte fluctuation de la position des électrons) et converge vers une valeur finie dans le cas contraire. Ainsi, la conductivité est relié à la délocalisation de la fonction d'onde. Dans ce travail, deux définitions du TPS ont été abordées : une quantité sommée sur le spin (spin-summed TPS, SS-TPS) d'une part, et une décomposition selon le spin (spin-partitioned TPS, SSP-TSP) d'autre part. Cette dernière s'est avérée être un outil très efficace pour l'étude de systèmes fortement corrélés. Au cours de la thèse, nous avons commencé par étudier plusieurs systèmes diatomiques présentant des liaisons de natures différentes à l'aide de calculs d'interaction de configurations totale (FCI). Le TPS présente alors un maximum dans une zone précédant la rupture de liaison avant de converger asymptotiquement vers les valeurs atomiques, comme la consistance de taille du tenseur le laissait présager. Dans le cas de systèmes pour lesquels l'état électronique présente un croisement évité, le TPS diverge, mettant ainsi en évidence la forte délocalisation de la fonction d'onde. Le SS-TPS est donc un indicateur de choix pour suivre la nature de la liaison chimique. Nous avons ensuite considéré des systèmes à valence mixte de type II pour lesquels l'état fondamental présente un double-puits de potentiel avec un croisement évité avec le premier état excité. Il est donc nécessaire ici d'utiliser un traitement multi-configurationnel. Deux systèmes modèles ont ainsi été étudiés : i) deux di- mères H2 en interaction faible au niveau FCI et ii) un composé du type spiro au niveau CAS-SCF (à l'aide d'un code que nous avons implémenté dans Molpro). Dans les deux cas, le TPS présentait un maximum très marqué dans la région du croisement évité, signature d'une forte mobilité électronique. Nous nous sommes également intéressés à trois types de chaines d'atomes d'hydrogène : i atomes équidistants ii) chaines dimérisées à longueur de liaison H2 fixée et iii) chaines dimérisées. Tant le SS-TPS que le SP-TPS montrent des comportements différents selon le type de chaine considérée. Les premières ont un caractère métallique et une délocalisation de spin prononcée dans le régime fortement corrélé. Les secondes sont de nature isolante avec une délocalisation limitée. Les chaines dimérisées, quant à elle, dissocient très rapidement vers un état isolant mais avec une forte délocalisation de spin. Ces chaines demi-remplies ont aussi été traitées à l'aide d'hamiltonien de Hubbard et de Heisenberg. Nous avons ainsi pu rationaliser le comportement des SS-TPS et SP-TPS en variant le rapport de l'intégrale de saut et de la répulsion électron- électron (-t/U) entre sites adjacents. Le caractère ferromagnétique/anti-ferromagnétique a également pu être suivi en modifiant la valeur de la constante de couplage J dans le cas fortement corrélé. Finalement, ces indicateurs ont été mis en oeuvre pour des polyacenes cycliques. Dans ce cas, le TPS a permis de comprendre la nature des fonctions d'onde de l'état fondamental obtenues au niveau CAS-SCF et NEVPT2.