Ordre magnétique à q=0 dans les cuprates supraconducteurs à haute température critique

Intra-unit-cell magnetic order in cuprate high temperature superconductors

• Auteur / Autrice : Lucile Mangin-Thro
• Direction : Philippe Bourges, Yvan Sidis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Julien Bobroff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bourges, Yvan Sidis, Julien Bobroff, Sergio Di Matteo, Henrik Rønnow, Alain Sacuto, Chandra M. Varma
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergio Di Matteo, Henrik Rønnow

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons -- Diffusion

Cuprates

Supraconductivité à hautes températures

Mots clés libres

Supraconductivité

Cuprates

Pseudo-gap

Diffusion de neutrons

Superconductivity

Cuprates

Pseudo-gap

Neutron scattering

Résumé

Cette thèse a pour motivation l'étude de l'ordre magnétique à q=0 dans les cuprates supraconducteurs à haute température critique. Cet ordre a déjà été reporté dans quatre familles de cuprates grâce à la diffusion de neutrons polarisés. Il est établi, sur une large gamme de dopage en trous, que cet ordre se développe à partir d'une température Tmag comparable à la température d'apparition de la phase de pseudo-gap T*. Ces observations sont compatibles avec un modèle de boucles de courant, qui induisent des moments magnétiques orbitaux. Les symétries mises en jeu sont la brisure par renversement du temps et l'invariance par translation. D'un point de vue expérimental, il s'agit non seulement de vérifier systématiquement l'existence de cet ordre magnétique, mais également de saisir sa nature. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'étude de deux systèmes bicouches, YBa2Cu3O6+x et Bi2Sr2CaCu2O8+x. Dans un premier temps, nous avons montré la persistance de l'ordre magnétique à q=0 pour une valeur de Tmag relativement élevée, dans des échantillons proches du dopage optimal. Toutefois, l'intensité magnétique associée est fortement réduite. Nous avons montré que ceci était en fait dû à la présence de domaines de taille finie, l'ordre est à courte portée. Aussi, nous avons déterminé le facteur de structure le long de l'axe c, il présente une décroissance rapide unique. Dans le cadre des boucles de courant, une possible modélisation consisterait en une résultante de deux anapoles pointant le long de b* au sein de la bicouche. D'autre part, nous avons confirmé l'existence d'un moment magnétique incliné sous Tmag. Nous avons cependant mis en évidence un caractère Ising le long de l'axe c à haute température. Enfin, nous avons prouvé que le signal associé à l'ordre magnétique à q=0 continue d'augmenter dans l'état supraconducteur.

This work is motivated by the study of the intra-unit-cell magnetic order in cuprate high temperature superconductors. It has been already reported in four cuprate families by using polarized neutron scattering, and it is well documented in a wide hole doping range. This order develops below Tmag, which matches the pseudo-gap temperature T*. This magnetic phase could be induced by the staggered orbital magnetism within the unit cell as proposed in the loop current model. This intra-unit-cell magnetic order indicates that time reversal symmetry is broken, but translation invariance is preserved. Experimentally, the goal is not only to systematically verify the existence of this intra-unit-cell magnetic order, but also to seize its nature. We particularly focused on two bilayer systems, YBa2Cu3O6+x and Bi2Sr2CaCu2O8+x. First, we revealed the persistence of the intra-unit-cell magnetic order at relatively high Tmag, near optimal doping. Compared to samples with a lower hole doping level, the magnetic intensity is strongly reduced. We demonstrated that this is due to finite magnetic correlation lengths. Moreover, we determined the associated magnetic structure factor along c, which displays a unique sharp decreasing. It is consistent with a model in which the sum of two anapoles within the bilayer is pointing along b*. Besides, below Tmag, we confirmed the existence of a tilt of the magnetic moment. However, we showed that at high temperature an Ising-like response along the c-axis is recovered. Finally, we proved that the magnetic signal associated to the intra-unit-cell magnetic order is still increasing in the superconducting state.