Étude des structures cristalline et magnétique du supraconducteur à base de fer quasi unidimensionnel BaFe₂Se₃

Study of the crystal and magnetic structures of the quasi-one-dimensional iron-based superconductor BaFe₂Se₃

• Auteur / Autrice : Wen-Gen Zheng
• Direction : Pascale Foury-Leylekian, Victor Balédent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/07/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Bert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Duc, Andrea Gauzzi, Béatrice Grenier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Duc, Andrea Gauzzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons -- Diffraction

Rayons X -- Diffraction

Structure magnétique

Supraconducteurs à base de fer

Supraconductivité

Matériaux multiferroïques

Mots clés libres

Multiferroique

Supraconductivité

Structure magnétique

BaFe₂Se₃

Multiferroic

Superconductivity

Magnetic structure

BaFe₂Se₃

Résumé

Il a été récemment observé qu'une phase supraconductrice émerge sous pression dans les échelles de spin à base de Fe BaFe₂Se₃. La faible dimensionnalité des échelles de spin, qui simplifie l'élaboration de modèles théoriques, devrait aider à comprendre le mécanisme de supraconductivité. De plus, en dessous de 250 K, une multiferroïcité a été promise dans BaFe₂Se₃. La compétition ou la coopération entre ces deux ordres est au cœur de mon travail de thèse. Dans cette thèse, nous avons étudié la structure cristalline polaire de BaFe₂Se₃ par les mesures de diffraction des rayons X sur monocristal. De plus, un couplage magnétoélectrique est observé dans les mesures diélectrique. Nous avons ensuite étudié l'évolution de la structure magnétique avec l'augmentation de la pression. En utilisant la technique de diffraction des neutrons sur monocristal, nous avons déterminé le groupe d'espace magnétique Cₐm, compatible avec la structure magnétique du Bloc-A. Par ailleurs, un ordre magnétique de type parapluie a été déterminé à pression ambiante. En revanche, une transition magnétique du type bloc vers un type bande a été observée environ 3 GPa par les mesures de diffraction neutronique sur poudre. Cet ordre magnétique de bande a persisté jusqu'à 7,7 GPa. Notre découverte montre que l'ordre magnétique de type stripe est une phase cruciale à proximité du dôme SC. Les fluctuations magnétiques particulières de cet ordre de bande pourraient être impliquées dans la stabilisation de la supraconductivité dans ces échelles de spin à base de Fe. Ce tout nouvel archétype de supraconducteur pourrait frayer la voie à de nouveaux efforts de recherche théorique.

It has been recently observed that a superconducting phase emerges under pressure in the Fe-based spin-ladders BaFe₂Se₃. The low dimensionality of the Fe spin-ladders, which simplifies the elaboration of theoretical models, should help to understand the mechanism of superconductivity. Besides, a multiferroicity was predicted to emerge in BaFe₂Se₃ below 250 K. In this thesis, we have investigated the polar crystal structure of BaFe₂Se₃ by the single-crystal X-ray diffraction measurements. In addition, a magnetoelectric coupling is observed in the capacitance measurements. We then have studied the evolution of the magnetic structure with increasing pressure. Using the single-crystal neutron diffraction technique, a space group of Cₐm compatible with the Block-A magnetic structure was identified. Besides, an umbrella-type magnetic order was determined at ambient pressure. On the other hand, a magnetic transition from the block type to a stripe type was observed around 3 GPa by the powder neutron diffraction measurements. This stripe magnetic order persisted up to 7.7 GPa. Our discovery shows that the stripe magnetic order is a crucial phase close to the SC dome. The particular magnetic fluctuations of this stripe order could be involved in the stabilization of superconductivity in Fe-based spin ladders. This very new archetype of superconductor could pave the way to further theoretical research efforts.