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Oscillations quantiques universelles dans les cuprates supraconducteurs sous-dopés

Depuis 7 ans, les mesures d’oscillations quantiques réalisées dans les supraconducteurs à haute température critique de type cuprates dopés en trous ont apporté un éclairage nouveau sur l’état fondamental de ces matériaux fascinants. Ces mesures ont établi la validité du concept de liquide de Fermi à basse température, non seulement dans la partie sur-dopée du diagramme de phase, mais aussi et de façon plus surprenante, dans la partie sous-dopée. La grande surface de Fermi (SF) occupant 65% de la première zone de Brillouin (PZB), mesurée dans le composé sur-dopé en accord avec les mesures de photoémission et les calculs de structure de bande, est en fort contraste avec les petites poches de Fermi ne couvrant que 2% de la PZB mesurées dans YBa2Cu3Oy (YBCO) sous-dopé. Combinés avec les coefficients de Hall et Seebeck négatifs, ces faits expérimentaux indiquent que la SF à haute température est reconstruite en poches d’électrons (et peut être aussi de trous) par un ordre de charge en compétition avec la phase supraconductrice et qui brise la symétrie de translation du cristal. Cet ordre a récemment été mis en évidence par des mesures de RMN et de vitesse ultrasonore à fort champ ainsi que par des mesures de diffusion de rayons X à champ nul. Bien que ce résultat ait été interprété comme un changement drastique de la SF associée aux plans CuO2, il peut également être attribué à l’existence d’une SF liée aux chaînes CuO dans YBCO. En conséquence, une question essentielle se posait : est-ce que la reconstruction de la SF est une propriété universelle des cuprates ? Est-elle une conséquence de l’aspect unidirectionnel de la structure de YBCO ? Nous avons pu répondre à ces questions en observant des oscillations quantiques dans la magnétorésistance du cuprate tétragonal HgBa2CuO4+δ(Hg1201) à un dopage p ≈ 0.09, sous champ magnétique pulsé jusqu’à 80 T.

Figure 1 : Dépendance en champ magnétique de la résistance dans le plan du cuprate HgBa2CuO4+δ (Tc = 72 K, p = 0.09) jusqu’à 80 T à différentes températures. Les oscillations quantiques sont clairement observées dans les données brutes au-dessus de 60 T. Insert : la dérivée de la résistance en fonction du champ met clairement en évidence ces oscillations.

Grâce à l’impulsion longue durée du système coilin-coilex développé par les ingénieurs du LNCMI-Toulouse, les vibrations sont considérablement réduites permettant d’obtenir un excellent rapport signal-sur-bruit. La figure 1 montre la dépendance en champ de la résistance jusqu’à 80 T à différentes températures. Le comportement oscillatoire est clairement visible sur les données brutes pour des champs supérieurs à 60 T. Pour mettre en évidence ces oscillations quantiques sans soustraction de la composante monotone, nous avons tracé la dérivée des données (insert de la Fig. 1). La fréquence des oscillations F = 840 ± 30 T correspond à une aire couvrant environ 3 % de la PZB. Les oscillations quantiques dans Y123 et Hg1201 apparaissent approximativement dans la même gamme de dopage, de température et de champ magnétique. La masse effective et la fréquence cyclotron associées à cette poche sont très comparables. De plus, la dépendance en température et la valeur absolue des coefficients de Hall et Seebeck sont également très similaires dans les deux composés : ces deux coefficients changent de signe passant de positif à haute température à négatif à basse température. Ceci supporte le scénario d’une reconstruction de la SF qui conduit à une petite poche d’électron, fermée et cohérente, et pointe vers le même mécanisme sous-jacent, lié au plan CuO2 qui est la seule partie commune de la structure des deux composés. Une petite poche d’électron peut donc être considérée comme une caractéristique universelle des cuprates sous-dopés.

Référence : Universal quantum oscillations in the underdoped cuprate superconductors N. Barišić, S. Badoux, M. K. Chan, C. Dorow, W. Tabis, B. Vignolle, G. Yu, J. Béard, X. Zhao, C. Proust & M. Greven Nature Physics 9, 761 (2013)

http://www.nature.com/nphys/journal...