Surface de Fermi et ordres électroniques dans les supraconducteurs non-conventionnels - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Fermi surface and electronic orders in unconventional superconductors

Surface de Fermi et ordres électroniques dans les supraconducteurs non-conventionnels

Résumé

Since the late 1970s unconventional superconductivity has been observed in many strongly correlated materials, where the free electron approximation is no longer valid. In transition metal oxides, such as cuprates or strontium ruthenate (Sr2RuO4), the mechanism of superconductivity is still debated, especially the role of strong Coulomb repulsion and low dimensionality. The correlations can also induce phase transitions that electronics transport experiments and quantum oscillations can probe by Fermi surface measurements. In the first chapter, I will introduce the concepts of electronic correlations and some theories, especially the Lifshitz-Kosevich theory of quantum oscillations. To access the normal state and perform transport measurements at low temperatures, it is necessary to destroy superconductivity by applying a magnetic field. These conditions are realised at the LNCMI, whose facility will be described in chapter II. I will also present experimental techniques, including a contactless resistivity measurement technique called the Tunnel Diode Oscillator (TDO). Part of my work allowed to increase the sensitivity of this device. These improvements have led to the observation of new frequencies in the quantum oscillation spectrum of Sr2RuO4. The results will be presented in chapter III. In this compound, band structure calculations show the importance of spin-orbit coupling, which distorts the Fermi surface and brings the alpha and gamma bands closer in the reciprocal space. This effect makes magnetic breakdown more likely in high-field experiments. Our observations of new frequencies are interpreted as a consequence of the magnetic breakdown between the two bands. An estimation of the gap will be discussed for the first time from quantum oscillations measurements. Contrary to Sr2RuO4, the normal state of hole-doped cuprates is just partially known. This is due to numerous competing orders that reconstruct the Fermi surface and to the robustness of superconductivity that limits the access to the normal state. The situation is also complicated by the presence of the pseudogap, an enigmatic phase that gaps part of the Fermi surface. After almost 40 years of research, the role of these phases in the mechanism of superconductivity is still debated, chapter IV is thus dedicated to a review of the bibliography in this field. The cuprate Hg-1223 belongs to the family of multilayers cuprates and hold the record of critical temperature (133 K at optimum doping). While charge order signature has recently been observed in Raman spectroscopy in underdoped Hg-1223, multilayers cuprates are also known to possess a large antiferromagnetic phase, stabilised at high doping by inter-plane coupling. In chapter V, we propose a first study of the normal state of underdoped Hg-1223 (p = 8-9%). The complex spectrum of quantum oscillations and the positive Hall effect are interpreted in a scenario of coexistence between charge order and antiferromagnetism in different planes of the unit cell. This result contrasts with the one obtained at higher doping (p = 10-11%), described in the Chapter VI, where our measurements show for the first time a phase transition as function of temperature in cuprate. This is evidenced by a sign change of the Hall coefficient and a modification of the quantum oscillations spectrum as function of temperature. We will discuss several scenarios to attempt to understand this Fermi surface reconstruction.
Depuis la fin des années soixante-dix, une supraconductivité non-conventionnelle a pu être observée dans de nombreux matériaux à fortes corrélations électroniques, où l'approximation des électrons indépendants n'est plus valable. Dans les oxydes de métaux de transition, comme les cuprates ou le ruthénate de strontium (Sr2RuO4), le mécanisme de la supraconductivité est encore débattu, notamment le rôle de la forte répulsion coulombienne et de la basse dimensionnalité. Les corrélations peuvent aussi induire des transitions de phases que les expériences de transport électronique et d'oscillations quantiques permettent de sonder en mesurant la surface de Fermi. Dans le premier chapitre, j'introduirai les concepts de corrélations électroniques et certaines théories, notamment celle de Lifshitz-Kosevich des oscillations quantiques. Pour réaliser des mesures de transport dans l'état normal à basse température, il est nécessaire de détruire la supraconductivité en appliquant un champ magnétique. Ces conditions sont réalisées au LNCMI dont l'installation sera décrite au chapitre II. Je présenterai aussi les techniques expérimentales utilisées, notamment une méthode de mesure de résistivité sans contact appelée oscillateur à diode tunnel (TDO). Une partie de mon travail de thèse a permis d'augmenter la sensibilité de ce dispositif expérimental. Ces améliorations ont conduit à l'observation de nouvelles fréquences dans le spectre des oscillations quantiques de Sr2RuO4. Ces résultats seront présentés dans le chapitre III. Dans ce composé, les calculs de structure de bandes montrent l'importance du couplage spin-orbite, qui distord la surface de Fermi et rapproche les bandes alpha et gamma dans l'espace réciproque. Cet effet rend plus probable le phénomène de rupture magnétique dans les expériences sous champ intense. Nos observations de nouvelles fréquences s'interprètent comme une conséquence de la rupture magnétique. Une estimation du gap sera discutée pour la première fois à partir de mesures d'oscillations quantiques. Contrairement à Sr2RuO4, l'état normal du diagramme de phase des cuprates supraconducteurs dopés en trou n'est que partiellement connu. Cela est dû aux nombreux ordres en compétitions qui reconstruisent la surface de Fermi ainsi qu'à une supraconductivité robuste qui limite l'accessibilité à l'état normal. La situation est aussi complexifiée par la présence du pseudogap, une phase énigmatique qui gap certaines portions de la surface de Fermi. Après presque 40 ans de recherche, l'implication de ces phases dans le mécanisme de la supraconductivité est encore débattue, alimentant abondamment la littérature dans ce domaine : le chapitre IV est donc dédié à une revue de la bibliographie du domaine. Le cuprate Hg-1223 appartient à la famille des cuprates multicouches et possède le record de température critique (133 K au dopage optimal). Alors qu'une signature d'un ordre de charge a récemment été observée en spectroscopie Raman dans Hg-1223 sous dopé, les cuprates multicouches sont aussi connus pour posséder une large phase antiferromagnétique, stabilisée à fort dopage par le couplage inter-plan. Dans le chapitre V, nous proposons une première étude de l'état normal à basse température de Hg-1223 sous-dopé (p = 8-9 %). Le spectre complexe des oscillations quantiques et l'effet Hall positif sont interprétés à l'aide d'un scénario de coexistence entre ordre de charge et antiferromagnétisme dans différents plans de la cellule unité. Ce résultat contraste avec celui obtenu à plus fort dopage (p = 10 - 11 %) décrit dans le chapitre VI, où nos mesures de transport mettent en évidence pour la première fois une transition de phase en fonction de la température dans un cuprate. Celle-ci se manifeste par un changement de signe de l'effet Hall et une modification du spectre des oscillations quantiques en fonction de la température. Nous discuterons plusieurs scénarios pour tenter de comprendre cette reconstruction de la surface de Fermi.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04169094 , version 1 (23-07-2023)
tel-04169094 , version 2 (07-09-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04169094 , version 2

Citer

Vincent Oliviero. Surface de Fermi et ordres électroniques dans les supraconducteurs non-conventionnels. Supraconductivité [cond-mat.supr-con]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2023. Français. ⟨NNT : 2023TOU30067⟩. ⟨tel-04169094v2⟩
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