Impact des fluctuations de spin à basse énergie sur le métal étrange dans un cuprate supraconducteur

Les métaux étranges – qui présentent des propriétés inhabituelles telles qu’une résistivité qui s’échelonne linéairement avec la température – remettent en question notre compréhension du transport des charges dans les métaux. Une caractéristique générale et déconcertante des métaux étranges est une résistivité linéaire en T existant dans une large région du diagramme de phase dans la limite des basses températures. En revanche, une résistivité linéaire jusqu’à la température la plus basse est observée dans les métaux critiques quantiques, mais seulement au point critique quantique. Un ingrédient commun aux théories des métaux étranges est souvent l’existence d’un degré de liberté à basse énergie qui peut se coupler aux porteurs de charge jusqu’à la plus basse T. Dans les cuprates supraconducteurs à haute T_c, la nature et l’origine de ces excitations à basse énergie restent insaisissables.

Nous utilisons des champs allant jusqu’à 86 T pour explorer la physique des métaux étranges dans le supraconducteur cuprate La_2-xSr_xCuO₄ (LSCO).. À proximité du dopage critique du pseudogap p*= 0,19, nous découvrons que la résistivité linéaire en T existe jusqu’à la T la plus basse sur une gamme étendue de champs magnétiques entre 60 T et 70 T environ, et qu’elle disparaît au-delà (voir Fig. 1a). En effet, au-dessus de 70 T, une phase de verre de spin apparaît progressivement et provoque la fin du métal étrange, comme le montre schématiquement le diagramme de phase de la figure 1b. La résistivité linéaire en T apparaît sur une large gamme de champs magnétiques dans laquelle des fluctuations magnétiques persistent jusqu’à basse température, comme démontré par RMN (Résonnance Magnétique Nucléaire) et ultrason (zone verte dans la figure 1b). Nos résultats montrent que le métal étrange peut être contrôlé par un champ, via la dynamique de spin, et que la phase de métal étrange est étroitement liée aux fluctuations magnétiques de faible énergie qui persistent aux températures les plus basses.

De plus nous montrons que le magnétisme induit par le champ est corrélé avec la magnétorésistance. Des remontées de résistivité à basse température, une signature du crossover métal-isolant du LSCO, apparaissent à basse température lorsque les fluctuations magnétiques gêlent en un verre de spin. Cela montre que le cross-over métal-isolant de LSCO est lié au gel des spins.

Figure 1: a) Résistivité de LSCO p= 0,188, proche du dopage critique du pseudogap, en fonction de la température à différents champs magnétiques. Les lignes pointillées sont des ajustements des données. b) Graphe en fausses couleurs de l’exposant n de la résistivité dans le plan dépendant de la température ρ(T) = _ρ0 + aTⁿ pour LSCO p = 0,188. La zone blanche correspond à la phase supraconductrice et à la transition résistive. _ρ0 est la résistivité résiduelle extrapolée à T=0 à partir d’ajustements linéaires comme indiqué dans le panneau a.

Reference : Impact of low-energy spin fluctuations on the strange metal in a cuprate superconductor
D. J. Campbell, M. Frachet, V. Oliviero, T. Kurosawa, N. Momono, M. Oda, J. Chang, D. Vignolles, C. Proust, D. LeBoeuf, Nature Physics (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03034-0