Etudes ultrasonores de l'état normal des cuprates supraconducteurs à haute température critique

Ultrasound studies of the normal state of high temperature cuprates superconductors

• Auteur / Autrice : Mehdi Frachet
• Direction : Marc-Henri Julien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire national des champs magnétiques intenses (Grenoble ; Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Klein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna E. Böhmer, Johan Chang, David Le Boeuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jörg Schmalian, Yann Gallais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Supraconductivité

Cuprates

Mots clés libres

Supraconductivité

Champs magnétiques intenses

Matériaux quantiques

Cuprate

Ordres en compétitions

Superconductivity

High magnetic fields

Quantum materials

Cuprate

Competing orders

Résumé

Dans les cuprates, des oxydes de cuivre, une supraconductivité non conventionnelle, confinée entre isolant de Mott et liquide de Fermi corrélé, apparaît par dopage chimique en porteurs de charges. Au-delà de la supraconductivité, le diagramme de phase renferme de nombreux ordres électroniques, notamment des ordres de charges et spins, qui interagissent entre eux mais également avec la supraconductivité. Une connaissance profonde de ce diagramme de phase est une étape nécessaire à la résolution de l'énigme de la supraconductivité des cuprates. Pour cela on propose ici une étude de la vitesse et de l'atténuation du son, une fois la supraconductivité affaiblie jusqu'à basse température par des champs magnétiques intenses.La première (et principale) partie de cette thèse s'intéresse au magnétisme de La2-xSrxCuO4(LSCO). Dans ce composé un verre antiferromagnétique est en forte compétition avec la supraconductivité. L'établissement de signatures ultrasonores associées à cet ordre a permis une étude en champs magnétiques pulsés, jusqu'à environ 90 T, qui indique qu'alors il persiste jusqu'à un dopage qui semble coïncider avec celui de la disparition du pseudogap, p*. L'existence de moments magnétiques quasi-statiques en champs magnétiques intenses suggère que les signatures de criticalités quantiques, mais également la chute du nombre de Hall, observées dans certains cuprates dans des conditions similaires, à p*, pourraient être liées au verre antiferromagnétique plutôt qu'au pseudogap lui-même.Dans une courte seconde partie, on s'intéresse aux deux ordres de charges, 2D et 3D, de YBa2Cu3O6+δ (Y-123) : une problématique distincte mais reliée à la précédente. Une étude systématique en dopage de la vitesse du son dans Y-123 restreint le domaine d'existence de l'ordre de charge 3D et indique que ce dernier est peu probablement à l'origine de la reconstruction de la surface de Fermi observée dans ce composé. La susceptibilité à une déformation élastique de la température critique supraconductrice, dTc/dεi, obtenue également par vitesse du son, interroge quant à elle sur la possibilité d'un scénario dans lequel sa dépendance en dopage - complexe et anisotrope - s'explique uniquement par une compétition entre supraconductivité et ordre(s) de charge(s).

In cuprates, copper oxides, an unconventionnal superconductivity appears by chemical doping between a Mott insulator and a correlated Fermi liquid. Beyond superconductivity, the phase diagram includes multiple broken symmetry phases, including spin and charge density waves. All these phases interact together and with superconductivity, in a complex way. A deeper knowledge of this phase diagram is without doubt a necessary step toward the resolution of the high-Tc enigma. In this aim, we propose in this experimental thesis to measure velocity and attenuation of sound in the low temperature normal state of cuprates, using high magnetic fields.The first (main) part of this thesis focus on the magnetism of La2-xSrxCuO4 (LSCO). In this compound, an antiferromagnetic glass competes with superconductivity. By applying high magnetic fields of the order of 90 T we show that, when superconductivity is weakened enough, the antiferromagnetic glass disappears together with the pseudogap. The persistence of this order up to p*, and the associated ordered magnetic moment, could explain recent observations at p* without necessarily implying that the pseudogap is an ordered phase. Among them are the fall of the Hall number and quantum criticality signatures observed in different cuprates.The shorter second part deals with a related topic: the two distinct charge density waves (CDW, 2D and 3D) of YBa2Cu3O6+_ (Y-123). By performing sound velocity measurements in high magnetic fields we constrain the doping range of the 3D CDW and show that the latter is unlikely at the origin of the Fermi surface reconstruction. Sound velocity measurements also allow the determination of dTc/dεi, the Tc's susceptibility to a given elastic deformation. The complex and anisotropic doping dependence of dTc/dεi cannot be easily reconcile alone with a scenario of competition between CDW(s) and superconductivity.