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Quelques résultats obtenus au LNCMI-Toulouse : la sur-face de Fermi des cuprates dopés en trous

Les champs magnétiques intenses du LNCMI-Toulouse ont récemment permis d’accéder pour la première fois depuis leur découverte à une mesure directe de la surface de Fermi des cuprates supraconducteurs, grâce à la détection d’oscillations quantiques de la résistance et de l’aimantation de ces matériaux (pour une revue voir [3]). Le phénomène d’oscillations quantiques constitue un outil des plus fiables afin de déterminer l’état électronique fondamental d’un métal : sa surface de Fermi [4]. La fréquence des oscillations quantiques est proportionnelle à l’aire embrassée par la surface de Fermi dans l’espace réciproque (voir figure 2). La surface de Fermi est à la base de toutes les propriétés physiques d’un système métallique. La détermination de sa topologie exacte dans l’espace réciproque est d’une importance capitale afin de comprendre la phénoménologie d’un matériaux.

Figure 1 : a)Diagramme de phase générique des cuprates dopés en trous. Le dopage en porteurs de charge permet de changer le système successivement d’un isolant de Mott antiferromagnétique (“AF insulator”), à un supraconducteur (“Superconductor”) à haute température critique et finalement à un métal plus conventionnel (“FL” pour “Fermi Liquid”). b) et c) Oscillations quantiques dans un cuprate surdopé (c, voir [1]) et sous-dopé (b, voir [2]). Les oscillations sont beaucoup plus rapides dans le régime sur-dopé. Ceci signifie que la surface de Fermi observée dans le régime sous-dopé est beaucoup plus petite que dans le régime surdopé (voir figure 2). En allant d’un régime à l’autre la surface de Fermi sondée par les oscillations quantiques subie ainsi une modification majeure. La nature de cette modification peut-être déterminée grâce à des mesures complémentaires d’effet Hall (panneaux d et e). Dans le régime surdopé, leffet Hall est positif dans la limite T0. Ceci signifie que la surface de Fermi observégrâce aux oscillations quantiques est habitée par des porteurs de charge positive. Dans le régime sous-dopé, leffet Hall dans la limite T0 est fortement négatif. Ce sont donc des porteurs de charge négative cette fois qui donnent naissance aux oscillations quantiques observées dans le régime sous-dopé. Le changement de surface de Fermi entre les régimes sous-dopéet surdopéest illustréschématiquement par les panneaux fet g. Le phénomène qui explique ce passage d’une grande surface de Fermi de trous (panneau g), à une petite poche d’électrons (panneau f en rouge) s’appelle reconstruction se surface de Fermi. Il est une conséquence d’une transition de phase quantique (voir texte).

 

Combinées à des mesures d’effet Hall, les oscillations quantiques ont permis de montrer l’existence d’un point critique quantique (une transition de phase à température nulle (voir [5] et [6])) dans le diagramme de phase des cuprates dopés en trous (voir figure 1). À la différence d’une transition de phase classique, où la température est le paramètre permettant d’induire la transition, c’est ici le dopage en porteurs de charge qui induit la transition. De même que de grandes fluctuations thermiques existent et influencent les propriétés physiques du système lors d’une transition de phase classique, des fluctuations quantiques émergent au voisinage d’un point critique quantique. Ce sont ces mêmes fluctuations que nombre de physiciens pensent être à l’origine du phénomène d’appariement en paires de Cooper nécessaire à la supraconductivité dans une autre famille de supraconducteurs : les systèmes à fermions lourds (voir [6]). Il est donc raisonnable de penser aujourd’hui, à la lumière des preuves apportées par les expériences menées en champ magnétique intense, qu’un tel scénario puisse également s’appliquer aux cuprates supraconducteurs à haute Tc.

Figure 2 :La fréquence F des oscillations quantiques obtenues lors de l’orbite d’un électron (pointillé rouge) provoquée par application d’un champ magnétique perpendiculaire B autour d’une surface de Fermi (surface bleue) est proportionnelle à Ak l’aire embrassée par cette orbite dans l’espace réciproque.

Récemment nos travaux se sont orientés vers la détermination plus précise de la topologie de la surface de Fermi [7], les modifications de cette surface en fonction du dopage en porteurs de charge [8] et vers les conséquences de la transformation de la surface de Fermi sur les propriétés de transport dans les cuprates [9].

 

Références :

[1] B. Vignolle et al., Nature 455, 952 (2008)

[2] N. Doiron-Leyraud et al., Nature 447, 565 (2007)

[3] B. Vignolle et al.,  Comptes Rendus de l’Académie des Sciences 12, 446 (2011)

[4] D. Schoenberg, University of Cambridge (1984)

[5] D. M. Broun, Nature Physics 4, 170 (2008)

[6] http://www.toulouse.lncmi.cnrs.fr/spip.php?rubrique8&lang=fr

[7] B. J. Ramshaw et al., Nature Physics 7, 234 (2011)

[8] D. LeBoeuf et al., Phys. Rev. B 83, 054506 (2011)

[9] B. Vignolle et al., arXiv:1107.5422