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Découverte d’une petite poche de trou dans la surface de Fermi de YBCO sous-dopé

L’observation d’oscillations quantiques et de l’effet Hall négatif dans YBa2Cu3Oy (YBCO) sous-dopé a montré que la surface de Fermi (SF) est reconstruite à basse température et contient au moins une petite poche d’électron, impliquant une brisure de symétrie de translation. Plus récemment, une onde densité de charge a été observée dans YBCO d’abord par des mesures de RMN [1] puis par des mesures de diffraction de rayons X [2].La reconstruction de la surface de Fermi ainsi que les modulations de charge sont deux propriétés universelles des cuprates sous-dopés. Cependant, une question se pose : est-ce que la surface de Fermi observée par oscillations quantiques est compatible avec une reconstruction de la SF compte tenu des vecteurs d’onde de la modulation de charge mesurés par rayons X ?

Nous présentons des mesures d’oscillations quantiques dans le pouvoir thermoélectrique et dans la magnétorésistance selon l’axe c dans YBCO qui ont révélé une petite poche de trou additionnelle. Comme le montre la Fig. 1a, à T = 2 K, les oscillations quantiques observées dans le pouvoir thermoélectrique ont une fréquence d’oscillation Fa1 = 540 ± 20 T et un battement indiquant la présence d’autres fréquences proches (voir la transformée de Fourier de la Fig. 1c). Ces observations sont en accord avec les études précédentes. En augmentant la température, l’amplitude de ces oscillations diminue rapidement et au-dessus de T =10 K, seul un signal ondulant faiblement persiste, c’est à dire une fréquence d’oscillation lente. Le pouvoir thermoélectrique (Fig.1 a) et la magnétorésistance selon l’axe c (Fig. 1b) montrent une fréquence d’oscillation Fb = 95 ± 10 T pour p = 0.11 et Fb = 120 ± 15 T pour p = 0.12. Cette oscillation lente présente toutes les signatures d’oscillations quantiques provenant d’une minuscule poche quasi-2D : la dépendance en température de l’amplitude des oscillations suit la loi de Lifshitz-Kosevitch avec une faible masse effective, m* = 0.45 ± 0.1 m0 et la dépendance en angle de la fréquence des oscillations suit approximativement une loi en 1 / cos (theta), en accord avec un poche quasi-2D. Cette oscillation correspond donc à une petite surface de Fermi, distincte de la poche d’électron responsable de la fréquence Fa1= 540 T. En effectuant une étude quantitative des coefficients Seebeck et Hall dans YBCO en fonction du dopage, nous avons montré que la SF reconstruite de YBCO sous-dopé contient non seulement la poche d’électron mais aussi une poche de trou, de mobilité plus faible.

Plusieurs faits convaincants montrent que la SF de YBCO est reconstruite par l’ordre de charge détecté par RMN et rayons X. Comme la modulation de charge a lieu suivant les deux directions cristallographique a et b cela produit naturellement une poche d’électron suivant les directions nodales. En tenant compte des vecteurs d’onde mesurés par rayons X, il existe également une petite ellipse de trou entre les poches d’électron en diamant. La Fig. 1d montre un exemple de reconstruction de SF calculée à partir des vecteurs d’onde mesurés par rayons X [3]. Elle contient deux poches distinctes : une poche nodale d’électron dont la fréquence est environ Fe =500 T et une ellipse de trou correspondant à Fh =100 T. Ces résultats montrent donc qu’une SF contenant une poche d’électron et deux poches de trou est en accord avec une reconstruction par l’ordre de charge observé par rayons X.

[1] T. Wu et al, Nature 477, 191 (2011).

[2] G. Ghiringhelli et al , Science 337, 821 (2012) / J. Chang et al, Nature Physics 8, 871 (2012).

[3] A. Allais et al, Nature Communications 5, 5771 (2014).

Reference : Evidence for a small hole pocket in the Fermi surface of underdoped YBa2Cu3Oy

N. Doiron-Leyraud, S. Badoux, S. René de Cotret, S. Lepault, D. LeBoeuf, F. Laliberté, E. Hassinger, B.J. Ramshaw, D.A. Bonn, W.N. Hardy, R. Liang, J.-H. Park, D. Vignolles, B. Vignolle, L. Taillefer and C. Proust.

Nature Communications 6, 6034 (2015)

 http://www.nature.com/ncomms/2015/150123/ncomms7034/full/ncomms7034.html 

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