Thèse Embedding Basée sur les Quasi-Particules pour les Isolants Topologiques Magnétiques H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse
Laboratoire de recherche : LPT - Laboratoire de Physique Théorique
Direction de la thèse : Carlos MEJUTO-ZAERA
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

Les isolants topologiques intrinsèquement magnétiques recèlent un immense potentiel pour la conception de l'électronique, des dispositifs de mémoire et des architectures informatiques de nouvelle génération [1]. Ils peuvent être construits à partir de deux ingrédients : un métal de transition induisant le magnétisme et un matériau topologiquement non trivial. Prenons par exemple le MnBi2Te4, un matériau en couches de van der Waals entrelaçant du Mn et du BiTe2, un isolant topologique [2]. Le magnétisme dans les couches de Mn résulte d'une forte corrélation, un équilibre délicat entre les multiples échelles d'énergie régissant la dynamique des électrons, ce qui donne lieu à plusieurs ordres magnétiques possibles en fonction du couplage des couches, de la pression et d'autres paramètres externes. Lorsqu'ils sont couplés à la structure de bande dans le BiTe2, ces ordres magnétiques peuvent se transformer en phases topologiques exotiques, faisant du MnBi2Te4 une plateforme capable de réaliser une large palette de phases de matière présentant un intérêt technologique [3,4]. Cette remarquable adaptabilité, résultant de la combinaison de la corrélation forte et de la topologie, fait des isolants topologiques magnétiques des pistes prometteuses pour la conception de dispositifs.

La théorie devrait guider l'exploration et l'exploitation expérimentales de cette interaction, mais elle se heurte à un défi de taille : les modélisations traditionnelles de la forte corrélation et de la topologie de la structure de bande semblent, a priori, incompatibles. En effet, alors que la topologie est bien comprise en termes de théories efficaces à un seul corps, telles que la théorie fonctionnelle de la densité de Kohn-Sham, la forte corrélation échappe à ces descriptions. Un cadre théorique capable de décrire les deux phénomènes sur un pied d'égalité jetterait les bases d'un changement de paradigme dans la modélisation des matériaux topologiques corrélés.

Ce projet de doctorat porte sur l'établissement et l'application d'une telle description unifiée dans le cadre de l'approche ghost Gutzwiller [5]. Il s'agit d'une approche variationnelle de la fonction d'onde qui, une fois convergente, fournit un modèle de la structure de bande pour les électrons fortement corrélés. Cette description apparemment paradoxale est rendue possible par la mise en correspondance des électrons en interaction avec un système auxiliaire d'électrons sans interaction dans un espace de Hilbert élargi. Les orbitales supplémentaires dans cet espace de Hilbert, les ghosts, permettent de capturer la corrélation des électrons en termes de fluctuations à un corps. Le ghost Gutzwiller, qui a connu un grand succès dans la description des fortes corrélations dans les solides et les molécules, présente un potentiel unique pour la modélisation de la topologie corrélée. En effet, dans un travail préliminaire [6], nous avons montré que la topologie des modèles de réseaux peut être évaluée directement dans l'espace ghost auxiliaire, ce qui permet de décrire la topologie corrélée dans le langage intuitif des structures de bandes. Cette thèse de doctorat s'appuiera sur nos résultats initiaux et exploitera la méthode ghost Gutzwiller pour trouver des modèles simplifiés mais précis du comportement des matériaux topologiques magnétiques, tels que le MnBi2Te4.

The interplay between strong electron correlation and band structure topology is arguably one of the most promising open challenges in condensed matter physics. Part of the difficulty resides in the language mismatch when modelling these two phenomena theoretically: band structure topology is best understood in terms of effective one-body models, while strong electronic correlation eludes such a description. Leveraging the ghost Gutzwiller framework, this thesis concerns establishing and applying a common theoretical language for both, enabling the effective computational screening of magnetic topological materials.

The main goal of this thesis concerns describing the interplay between strong electron correlation and topology in intrinsically magnetic topological insulators, like MnBi2Te4.

Theoretical and numerical methods, particularly quantum embedding strategies, eventually coupled to ab initio approaches like density functional theory.

Le candidat retenu sera titulaire d'un Master 2 ou d'un diplôme équivalent en physique, chimie, science des matériaux ou dans un domaine connexe, s'intéressera à la physique de la matière condensée et à la forte corrélation/topologie, et aura ouverture d'esprit quant à la mise en oeuvre d'approximations numériques. Des connaissances avancées en mécanique quantique et en physique des solides seront nécessaires, et une expérience préalable en computation sera considérée comme un atout. La langue de travail sera l'anglais.