Ferroélectricité et supraconductivité en tant qu'ordres concurrents et coopératifs

Ferroelectricity and superconductivity as competing and cooperative orders

• Auteur / Autrice : Ravi Ravi
• Direction : Kamran Behnia, Benoît Fauque
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 11/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABORATOIRE DE PHYSIQUE ET D'ETUDE DES MATÉRIAUX
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)

Mots clés

Mots clés libres

Ferroélectricité

Supraconductivité

Electronic orders

Ferroelectricity

Superconductivity

Electronic orders

Résumé

SrTiO3 est le supraconducteur le plus dilué actuellement connu [1]. Avec seulement 10^-5 électrons par unité de formule, le système devient supraconducteur. A dopage nul SrTiO3 est un isolant et un paraélectrique quantique, qui devient un véritable ferroélectrique en remplaçant le strontium par le calcium. Nous avons récemment découvert que les deux ordres coexistent dans du titanate de strontium déficient en oxygène substitué par du Ca [2]. Cette coexistence est surprenante. La ferroélectricité est un état de la matière comportant un dipôle électrique statique réversible macroscopique et attendu dans un isolateur ionique sans symétrie d'inversion. La supraconductivité se produit dans un métal conduisant à un condensat macroscopique de paires de Cooper. Ces deux états de la matière ont peu de points communs. Cependant, nous constatons que non seulement ils se tolèrent, mais que les fluctuations quantiques de l'ordre ferroélectrique renforcent la supraconductivité. L'objectif de ce projet de recherche est d'explorer ce cas intrigant de criticité quantique ferroélectrique. [1] Xiao Lin, Zengwei Zhu, Benoît Fauqué and Kamran Behnia, “The Fermi surface of the most dilute superconductor”, Phys. Rev. X 3, 021002 (2013). [2] C. W. Rischau, X. Lin, C. P. Grams, D. Finck, S. Harms, J. Engelmayer, T. Lorenz, Y. Gallais, B. Fauqué, J. Hemberger and K. Behnia, “A ferroelectric quantum phase transition inside the superconducting dome of Sr1−xCaxTiO3−δ”, Nature Physics 13, 643 (2017).

SrTiO3 is the most dilute superconductor currently known [1]. With only 10-5 electron per formula unit, the system becomes superconducting. The insulating parent of this remarkable superconductor is a quantum paraelectric, which becomes a true ferroelectric by replacing strontium with calcium. We have recently discovered that the two orders coexist in Ca-substituted-oxygen-deficient strontium titanate [2]. This coexistence is surprising. Ferroelectricity is a state of matter with a macroscopic reversible static electric dipole and expected in an ionic insulator without inversion symmetry. Superconductivity occurs in a metal leading to a macroscopic condensate of Cooper pairs. These two states of matter have little in common. However, we find that not only they tolerate each other, but quantum fluctuations of the ferroelectric order strengthen superconductivity. The aim of this research project is to explore this intriguing case of ferroelectric quantum criticality. [1] Xiao Lin, Zengwei Zhu, Benoît Fauqué and Kamran Behnia, “The Fermi surface of the most dilute superconductor”, Phys. Rev. X 3, 021002 (2013). [2] C. W. Rischau, X. Lin, C. P. Grams, D. Finck, S. Harms, J. Engelmayer, T. Lorenz, Y. Gallais, B. Fauqué, J. Hemberger and K. Behnia, “A ferroelectric quantum phase transition inside the superconducting dome of Sr1−xCaxTiO3−δ”, Nature Physics 13, 643 (2017).