A la recherche du mode de Higgs supraconducteur

In search of the superconducting Higgs Mode

• Auteur / Autrice : Grégory Setnikar
• Direction : Matteo D’Astuto, Marie-Aude Méasson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 03/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Klein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Klein
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Le Tacon, Paulina Plochocka-Maude

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitation électronique

Supraconducteurs

Mots clés libres

Matière condensée

Pression

Spectroscopie Raman

Système fortement corrélé

Analogie physique des particules

Analogy with Particle physics

Pressure

Condensed Matter

Strongly correlated systems

Raman spectroscopy

Résumé

Le mode de Higgs est une excitation électronique caractéristique de l’état supraconducteur. Ce mode n’est pas couplé à la charge électrique, à la lumière ou encore au spin, rendant impossible son observation directe. Des travaux récents, sur lesquelles cette thèse s’appuie, montrent qu’il est néanmoins possible de détecter une signature de son existence via le couplage entre la supraconductivité et un autre ordre électronique: l’onde de densité de charge.Parfait analogue mathématique du boson de Higgs pour la physique des hautes énergies, le mode de Higgs est très important à la fois pour la compréhension de la supraconductivité et de ses interactions mais également pour la physique au-delà du modèle standard de la physique des particules.L’objectif de cette thèse a été d’explorer des systèmes présentant un couplage entre plusieurs ordres électroniques, différents de ceux connus par la littérature, afin d’étendre nos connaissances sur le mécanisme d’observabilité du mode de Higgs. À ces fins, j’ai étudié plusieurs composés appartenant aux familles des A15 et des cuprates à l’aide de la spectroscopie Raman. Ce travail se distingue par l’étude des excitations de très basse énergies (<100 m  eV) dans des conditions extrêmes de températures (≈10 K) et de champs magnétiques (jusqu’à 30 T). Notre étude met en lumière de nouvelles signatures possédant une remarquable dépendance en champ magnétique, température et dopage. Par le biais d’une analyse des spectres Raman obtenus et d’une revue de la littérature, des hypothèses quant à la nature de ces nouvelles excitations sont proposés dans ce manuscrit. Néanmoins de nombreuses questions restent en suspens. Ce travail ouvre donc à de nombreuses expériences complémentaires nécessaires à la compréhension des nouveaux phénomènes observés.

The Higgs mode is an electronic excitation characteristic of the superconducting state. It is not coupled to electric charge, light or spin, making direct observation of this mode impossible. Recent work, on which the work presented in this thesis is based, shows that it is nevertheless possible to detect a signature of its existence via the coupling between superconductivity and another electronic order: the charge density wave.As a perfect mathematical analogue of the Higgs boson for high energy physics, the Higgs mode is very important both for the understanding of superconductivity and its interactions, and for physics beyond the standard model of particle physics.The objective of this thesis was to explore systems with coupling between several electronic orders, different from those known in the literature, in order to extend our knowledge on the observability mechanism of the Higgs mode. To this end, I have studied several compounds belonging to the A15 and cuprate families using Raman spectroscopy. This work is distinguished by the study of very low energy excitations (<100 m eV) under extreme conditions of temperature (≈10 K) and magnetic field (jusqu’à 30 T). Our study shed light on new signatures with a remarkable dependence on magnetic field, temperature and doping. Through a thorough analysis of the obtained Raman spectra and a review of the literature, hypotheses about the nature of these new excitations are proposed in this manuscript. Nevertheless, many questions remain unanswered. This work therefore opens the way to many additional experiments required in order to understand the observed new phenomena.