Etude par RMN du magnétisme et de la supraconductivité dans les pnictures de Fer

NMR study of magnetism and superconductivity in iron pnictides

• Auteur / Autrice : Yannis Laplace
• Direction : Julien Bobroff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/12/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Laboratoire de Physique des Solides
• Jury : Président / Présidente : Marino Marsi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Bobroff, Marino Marsi, Roberto De Renzi, Charles Simon, Silke Biermann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roberto De Renzi, Charles Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance magnétique nucléaire

Magnétisme

Supraconductivité à hautes températures

Mots clés libres

Supraconductivité

Magnétisme

Pnictures de fer

RMN

Superconductivity

Magnetism

– iron pnictides

NMR

Résumé

La découverte récente de supraconductivité à relativement haute température (Tc,max=56K) dans les pnictures de Fer soulève des questions fondamentales sur l’origine et la nature de la supraconductivité : en particulier, la présence d’une phase antiferromagnétique à proximité de celle-ci dans leur diagramme de phase, comme dans d’autres supraconducteurs non conventionnels pose la question du lien entre magnétisme et supraconductivité.Nous nous sommes intéressés à la nature de l’état normal ainsi que des phases antiferromagnétique et supraconductrice d’un point de vue local grâce à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) dans les pnictures de Fer. Nous avons pour cela étudié des pnictures de Fer de même composé parent BaFe2As2 pour des substitutions Co en site Fer de nature hétérovalente et réalisant un dopage électron ou bien Ru en site Fer de nature isovalente. L’état normal de ces matériaux présente des différences notables avec l’état normal des cuprates supraconducteurs : le désordre introduit par les substitutions au niveau intraplan est faible et on constate l’absence d’une phase de PseudoGap pour la susceptibilité de spin. Les diagrammes de phase sont similaires pour le Co et le Ru mais nos mesures montrent que la nature des phases antiferromagnétique et supraconductrice est en réalité qualitativement différente à l’échelle locale pour les deux types de substitution. Pour la substitution au Co réalisant un dopage électron, les phases électroniques sont homogènes et nous démontrons en particulier qu’à certains dopages, un ordre antiferromagnétique incommensurable coexiste avec la supraconductivité jusqu’à une échelle atomique, suggérant une nature itinérante du magnétisme et un état supraconducteur possédant une symétrie non conventionnelle. Pour la substitution isovalente au Ru, les phases électroniques sont inhomogènes à une échelle étonnamment faible, de l’ordre du nanomètre, mettant en jeu une coexistence entre magnétisme et supraconductivité très distribuée spatialement. Ce travail illustre la possibilité d’engendrer une phase supraconductrice non conventionnelle en déstabilisant une phase antiferromagnétique au moyen de mécanismes agissant soit dans l’espace réciproque (dopage électron), soit dans l’espace réel (substitution isovalente) et donnant lieu par ailleurs à une coexistence de ces phases de nature très différente dans les deux cas.

The recent discovery of superconductivity at a rather high temperature in the iron pnictides (Tc,max=56K) has revived some fundamental questions about the existence and the nature of the superconducting phase : in particular, the existence of an antiferromagnetic phase that is in vicinity of the superconducting phase in their phase diagram, as in other unconventional superconductors, raises questions about the link between magnetism and superconductivity. In this thesis, we studied the normal state as well as the antiferromagnetic and superconducting phases of the iron pnictides on a local scale with Nuclear Magnetic Resonance (NMR). Starting from the same parent compound BaFe2As2, we studied heterovalent Co substitution in Fe site realizing an electron doping and isovalent Ru substitution in Fe site. The normal state is shown to display important qualitative differences with the normal state of cuprates superconductors: disorder induced substitutions in electronically active layers is weak and we show the absence of a PseudoGap phase from spin susceptibility measurements. Whereas the phase diagram is similar for Co and Ru substitutions, we show that the nature of the antiferromagnetic and the superconducting phases is qualitatively different on a local scale in the two cases. For Co substitution leading to electron doping, the electronic phases are homogeneous and we demonstrate in particular the homogeneous coexistence of antiferromagnetism and superconductivity down to an atomic scale for some compositions: this suggests a magnetism of itinerant nature and an unconventional superconducting order parameter for the superconducting phase. For the isovalent Ru substitution, the electronic phases are inhomogeneous at a scale surprisingly low of the order of the nanometer scale, leading to a coexistence that is very distributed spatially. This works shows the possibility to induce an unconventional superconducting phase by the weakening of an antiferromagnetic phase made possible with very different means : either in reciprocal space with electron doping or in real space with isovalent substitution. Moreover, this is shown to lead to different kinds of coexistence between these phases in the two cases.