Ab-Initio Calculations of Many body effects in electronic spectre.
Calculs Ab-Initio des effets à plusieurs corps dans les spectres électroniques.
Résumé
Theoretical Spectroscopy has become a field of the most active research in physics of matter. It involves using the ab initio methods to comfortably give, for example, an interpretation of experimental spectra and to predict electronic and optical properties of new materials. The state of the art for the calculation of excited states is the result of a long history. It is based on the one hand, on the theory of density functional theory (DFT) [1] and its extension to potential time-dependent (TDDFT) and, secondly, the many-body theory, one example is the famous GW approximation [2]. In this context, the purpose of this thesis was, on the one hand, to study the application of common approximations of these methods (which were developed especially for semiconductors and simple metals) in the case of systems over correlated such as the oxides of transition metals. In particular, vanadium oxide is the paradigm of these systems. It is characterized by a phase transition metal-insulator, whose physical explanation was the topic of a debate that has lasted over forty years. We showed that a GW calculation is able to reproduce without using adjustable parameters, the electron correlation effects in band structure of both phases of vanadium oxide and the satellite in the photoemission spectrum of the metal [3 ]. On the other hand, as the study of these systems requires complex calculations increasingly heavy, we have considered in this thesis an alternative approach [4]. It is based on the introduction of an effective potential, local, real and dynamic (unlike the self-energy, appearing in the GW method, which is non-local and complex) for the calculation of quasiparticle energies, which are measured in a photoemission experiment. In particular, we studied the properties of this new potential in the case of model systems and we have sought approximations for the application to real systems.
La spectroscopie théorique est devenue un des champs de recherche les plus actifs de la physique de la matière. Il s'agit d'utiliser les méthodes ab initio les plus modernes pour donner, par exemple, une interprétation des spectres expérimentaux ou pour prédire les propriétés électroniques et optiques de nouveaux matériaux. L'état de l'art pour le calcul des états excités est le résultat d'une longue histoire. Il est fondé, d'une part, sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) [1] et son extension à des potentiels dépendants du temps (TDDFT) et, d'autre part, sur la théorie à plusieurs corps, dont un exemple est la fameuse approximation GW [2]. Dans ce contexte, le but de cette thèse a été, d'un coté, d'étudier l'application des approximations courantes de ces méthodes (qui ont été développées notamment pour les semiconducteurs et les métaux simples) au cas de systèmes plus corrélés, comme les oxydes des métaux de transition. En particulier, l'oxyde de vanadium est le paradigme de ces systèmes. Il est caractérisé par une transition de phase métal-isolant, dont l'explication physique est le sujet d'un débat qui dure depuis plus de quarante ans. Nous avons montré qu'un calcul GW est capable de reproduire, sans utiliser des paramètres ajustables, les effets de corrélation électronique dans la structure de bandes des deux phases de l'oxyde de vanadium et le satellite dans le spectre de photoémission du métal [3]. D'un autre coté, comme l'étude de ces systèmes complexes nécessite des calculs de plus en plus lourds, nous avons considéré dans cette thèse une approche alternative [4]. Elle est fondée sur l'introduction d'un potentiel effectif, local, réel et dynamique (contrairement à la self-énergie, apparaissant dans la méthode GW, qui est non-locale et complexe), pour le calcul des énergies de quasiparticules, qui sont mésurées dans une expérience de photoémission. En particulier, nous avons étudié les propriétés de ce nouveau potentiel dans le cas de systèmes modèles et nous avons recherché des approximations pour l'application à des systèmes réels.