Fermions fortement corrélés
Les fermions fortement corrélés sont des particules élémentaires (comme les électrons) dont les interactions mutuelles jouent un rôle crucial et ne peuvent être négligées. Le terme est souvent utilisé dans le contexte de la physique de la matière condensée pour décrire des systèmes où le comportement collectif des particules est très complexe et ne peut être expliqué par de simples modèles d’électrons libres.
L’étude des fermions fortement corrélés au LNCMI explore des systèmes complexes où les interactions entre particules donnent lieu à des propriétés physiques étonnantes, souvent inaccessibles sans l’utilisation de champs magnétiques intenses
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Membres de l’équipe
Thèmes
Les cuprates supraconducteurs à haute température critique ont la température critique supraconductrice la plus élevée connue à pression ambiante. Leur diagramme de phase présente plusieurs mystères déconcertants. Les questions fondamentales auxquelles nous tentons de répondre sont les suivantes : quels sont les éléments clés permettant la compréhension du diagramme de phase des cuprates à haute température ? Quel est le mécanisme de la supraconductivité à haute température ? Nous utilisons des champs magnétiques élevés pour supprimer la supraconductivité afin de restaurer l’état normal et de déterminer la nature des interactions électroniques en jeu dans le diagramme de phase et dans le mécanisme d’appariement de ces systèmes.
Les supraconducteurs à base de fer constituent une autre famille de matériaux supraconducteurs ayant un Tc relativement élevée. Les matériaux à base de fer sont généralement des aimants et n’étaient pas connus pour être supraconducteurs avant la découverte de LaOFeAs en 2008. La manière dont les spins du fer contribuent à la supraconductivité est activement étudiée. La physique multi-orbitale de ces matériaux ajoute une nouvelle couche de complexité. En appliquant des forces externes, telles qu’une contrainte uniaxiale, l’équilibre de l’occupation orbitale peut être modifié. La question de savoir si les fluctuations orbitales contribuent au mécanisme d’appariement reste ouverte.
Techniques
Mesure d'aimantation par cantilever (Toulouse Contact : C. Proust, D. Vignolles)
La mesure du couple magnétoméque est une technique puissante pour mesurer les oscillations quantiques dans les métaux. Dans un champ pulsé, la mesure du couple magnétique est effectuée avec un micro-cantilever piézorésistif commercial, comme le montre la figure ci-dessus. La taille de l’échantillon étudié est d’environ 0,1×0,1×0,05 mm3. Les variations de la piézorésistance du cantilever sont mesurées à l’aide d’un pont de Wheatstone avec une excitation en courant alternatif à une fréquence de 60 kHz environ. En champ statique, la flexion d’un cantilever en CuBe est mesurée capacitivement.
A titre d’exemple, nous montrons un signal d’oscillations quantiques mesuré par couple magnétique dans un champ pulsé dans un conducteur organique κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 (à gauche) et dans un supraconducteur à cuivre à haut Tc YBa2Cu3Oy (à droite).
Mesure ultrasonore (Grenoble contact : D. Leboeuf, Toulouse contact : C. Proust)
À titre d’exemple, nous présentons les résultats des mesures de la vitesse du son dans le cuprate YBCO à haute temperature critique. La dépendance du champ de la vitesse du son d’un mode longitudinal dans YBCO avec un niveau de dopage. p = 0,122 mesuré à des températures allant de 9,8 à 45,2 K est représenté. Les flèches indiquent la transition vers l’apparition de l’ordre de charge. Les courbes sont décalées verticalement pour plus de clarté. Cliquez sur ici pour plus de détails sur les ultrasons dans l’YBCO.
Mesure de transport (Grenoble contact : D. Leboeuf, Toulouse contact : C. Proust, D. Vignolles)
La résistivité, l’effet Hall et la magnétorésistance sont mesurés dans les métaux et les supraconducteurs afin d’étudier la structure électronique (oscillations de Shubnikov – de Haas, effet Hall) et la mobilité des porteurs (magnétorésistance, résistivité).
En champ statique, des mesures lock-in à faible bruit sont effectuées. Plusieurs échantillons peuvent être placés sur une seule sonde, avec ou sans étage de rotation. Les mesures de transport sont couramment effectuées dans un champ magnétique pulsé sur des échantillons dont la résistance est aussi faible que 1 mohm. Les mesures sont effectuées avec une excitation de courant entre 0,1 mA et 10 mA à une fréquence comprise entre 2 et 80 kHz. Un système d’acquisition rapide est utilisé pour numériser le signal de référence (courant) et la chute de tension à travers l’échantillon. Les données sont ensuite analysées à l’aide d’un logiciel pour effectuer la comparaison de phase.
Ci-dessus, nous montrons la magnétorésistance mesurée dans un supraconducteur cuprate surdopé à haut Tc, Tl2Ba2CuO6+delta. Sur un fond monotone, une composante oscillatoire petite mais clairement résolue apparaît à haut champ. Ces oscillations Shubnikov – de Haas fournissent des informations essentielles sur la structure électronique de ces systèmes. Voir ici pour plus de détails sur cette étude.
Mesure de transport sans contact (TDO) (Toulouse contact : C. Proust, D. Vignolles)
A titre d’exemple, nous montrons les oscillations quantiques obtenues dans le conducteur organique κ-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 mesurées avec le couple magnétométique (bleu) et avec la méthode TDO (vert).
Un exemple plus détaillé peut être trouvé ici : https://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/97/57003
Nuclear Magnetic Resonance (NMR) (Grenoble contacts : M.-H. Julien, I. Vinograd)
Dans une expérience typique de résonance magnétique nucléaire (RMN), une espèce nucléaire donnée est polarisée en spin par un champ magnétique statique et déséquilibrée par des impulsions de radiofréquence. La réponse radiofréquence des noyaux, enregistrée lors du retour à l’équilibre, mesure la façon dont l’environnement du noyau affecte la polarisation. L’analyse de cette réponse nous fournit une foule d’informations sur les propriétés électroniques, magnétiques et structurelles locales, y compris sur la façon dont elles peuvent varier dans l’espace et dont elles fluctuent dans le temps (dynamique).
L’exemple ci-dessus montre une résonance RMN à deux composantes de noyaux 17O qui prouve la formation d’ondes de densité de charge dans le supraconducteur cuprate à haute température YBa2Cu3Oy (plus de détails ici).
Lien vers le groupe RMN du LNCMI
Publications
Publications selectionnées
– Charge order near the antiferromagnetic quantum critical point in the trilayer high Tc cuprate HgBa2Ca2Cu3O8+δ
V. Oliviero, I. Gilmutdinov, D. Vignolles, S. Benhabib, N. Bruyant, A. Forget, D. Colson, W. A. Atkinson & C. Proust
npj Quantum Materials 9, 75 (2024)
– Universal correlation between H-linear magnetoresistance and T-linear resistivity in high-temperature superconductors
J. Ayres, M. Berben, C. Duffy, R. D. H. Hinlopen, Y.-T. Hsu, A. Cuoghi, M. Leroux, I. Gilmutdinov, M. Massoudzadegan, D. Vignolles, Y. Huang, T. Kondo, T. Takeuchi, S. Friedemann, A. Carrington, C. Proust & N. E. Hussey
Nature Communications 15, 8406 (2024)
– Hidden magnetism at the pseudogap critical point of a cuprate superconductor
M. Frachet, I. Vinograd, R. Zhou, S. Benhabib, Sh. Wu, H. Mayaffre, S. Krämer, S. K. Ramakrishna, A. P. Reyes, J. Debray, T. Kurosawa, N. Momono, M. Oda, S. Komiya, Sh. Ono, M. Horio, J. Chang, C. Proust, D. LeBoeuf & M.–H. Julien
Nature Physics 16, 1064 (2020)
– Change of carrier density at the pseudogap critical point of a cuprate superconductor
S. Badoux, W. Tabis, F. Laliberté, G. Grissonnanche, B. Vignolle, D. Vignolles, J. Béard, D. A. Bonn, W. N. Hardy, R. Liang, N. Doiron-Leyraud, Louis Taillefer & Cyril Proust
Nature 531, 210 (2016)
Publications du LNCMI sur HAL