Ondes de densité de charge dans le régime de glissement sondées par des impulsions X ultrabrèves et pulsées au MHz générées par un laser à électrons libres X

Sliding Charge Density Wave Systems Probed by MHz-Repetition-Rate X-ray Free-Electron Lasers

• Auteur / Autrice : Darine Ghoneim
• Direction : David Le Bolloc'h, Anders Madsen, Vincent Jacques
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/03/2026
• 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 : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Centre de recherche : European XFEL Gmbh
• Jury : Président / Présidente : Claire Akiko Marrache-Kikuchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Vidal, Kai Rossnagel, Urs Staub, Emmanuelle Jal, Paul Evans
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Vidal, Kai Rossnagel, Urs Staub
• DOI : 10.70675/9b6a6464z6e11z4315z972bze2fa4076cf5b

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de densité de charge

Rayons X -- Diffraction

Techniques pompe-sonde

Électricité -- Transport -- Courant continu

Conducteurs unidimensionnels

Mots clés libres

Dynamique hors équilibre

Glissement d'onde de densité de charge

Diffraction des rayons X femtoseconde

XFEL

Pompe X - sonde X

Out-Of-Equilibrium dynamics

Sliding charge density wave

Femtosecond X-Ray diffraction

XFEL

X-ray pump X-ray probe

Résumé

Nous avons étudié dans cette thèse le phénomène de glissement d'une onde de densité de charge (ODC) lorsque ces systèmes sont soumis à un faible courant électrique. Deux systèmes ont été étudiés, NbSe₃ et TbTe₃, qui ont tous deux la capacité de glisser, mais diffèrent par la dimensionnalité de leur structure atomique : le premier est quasi-unidimensionnel, le deuxième quasi-bidimensionnel. Pour ce faire, nous avons utilisé une source XFEL, qui nous a permis d'observer, par diffraction X, la réflexion satellite associée à l'ODC, à l'équilibre et dans le régime de glissement, en fonction des impulsions X ultrabrèves et pulsées au MHz générées par la source XFEL. Ces études ont été réalisées sur la ligne MID de l'European XFEL à Hambourg, à basse température et in situ avec l'application d'un courant extérieur. De grandes différences existent entre les deux systèmes. Dans NbSe₃, à l'équilibre, nous observons une très grande sensibilité de l'ODC aux impulsions X. Nous montrons que l'évolution de l'état ODC en fonction des impulsions successives ne peut être attribuée à un effet d'échauffement par le faisceau X. Il pourrait être lié à une réduction du couplage électron-phonon et donc du gap par le faisceau X. Le régime de glissement de NbSe₃ est, quant à lui, très bien observé à travers une modification du pic satellite. Aucune modification de l'état à l'équilibre de TbTe₃ par le faisceau X n'a été observée, contrairement à ce qui a été observé pour NbSe3. Par contre, comme pour NbSe₃, l'état de glissement a bien été observé à travers une modification du pic satellite associé à l'ODC. Cependant, nous observons que le réseau hôte est lui aussi impliqué dans le régime de glissement de TbTe₃, contrairement à celui de NbSe₃, ce qui interroge sur la nature du transport de charges dans ces deux systèmes, à l'origine de cette différence.

In this thesis, we studied the sliding phenomenon in Charge Density Wave (CDW) systems under a weak electric current. Two systems were studied, NbSe₃ and TbTe₃. Both systems can slide but differ in the dimensionality of their atomic structures: the former is quasi-1D, and the latter is quasi-2D. To do this, we used an XFEL source that allowed us to observe, by X-ray diffraction, the satellite reflection associated with the CDW, at equilibrium and in the sliding regime, as a function of the ultra-short, MHz-pulsed X-ray pulses generated by the XFEL source. These in situ experiments were conducted at low temperature and under an applied external current at the MID beamline of the European XFEL. There are significant differences between the two systems. In the equilibrium state of NbSe₃, we observe a very high sensitivity of the CDW to X-ray pulses. These changes have been observed thanks to the high repetition rate of the source. We show that the evolution of the CDW state with successive pulses cannot be attributed to heating induced by the X-ray beam. It could be related to a reduction in electron-phonon coupling and, consequently, in the CDW gap induced by the X-ray beam. The sliding regime of NbSe₃, by contrast, is very well observed through a modification of the satellite peak. No change in the equilibrium state of TbTe₃ by the X-ray beam was observed, unlike NbSe₃. However, as with NbSe₃, the sliding state was clearly observed through a change in the satellite peak associated with the CDW. However, we observe that the host lattice is also involved in the sliding regime of TbTe₃, unlike in NbSe₃, raising questions about the nature of charge transport in these two systems that underlie this difference.