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Le groupe Taillefer se spécialise dans l’étude des propriétés de transport de matériaux supraconducteurs/quantiques. Afin d’étudier les phénomènes exotiques de la matière, le laboratoire se démarque par l’utilisation de conditions extrêmes tels les basses températures, les champs magnétiques intenses et les hautes pressions. Reconnue pour son expertise mondiale, l’équipe Taillefer vous donne l’opportunité de travailler au sein d’un laboratoire de pointe, collaborer avec des experts de renom, participer à des conférences internationales, prendre part à des expéditions en laboratoire à hauts champs magnétiques et bien plus encore.

Plusieurs projets de recherche sont disponibles pour étudiantes et étudiants à la maîtrise ou au doctorat. Toute personne curieuse des phénomènes physiques de la matière condensée, motivée par l’apprentissage et le développement de nouvelles techniques expérimentales, persévérante et débrouillarde est encouragée à appliquer. Les candidatures de l’international sont les bienvenues!

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Thèses et mémoires

Étude du transport thermique dans le candidat de liquide de spins Kitaev α-RuCl3

Étienne Lefrançois

2019

Le transport de chaleur dans les matériaux quantiques constitue une sonde de choix pour étudier les phénomènes microscopiques de la dynamique des quasi-particules. Depuis quelques années, le transport thermique dans des isolants magnétiquement désordonnés fait émerger une physique très riche de par les phénomènes exotiques issus des interactions que subissent les spins dans le réseau. Depuis 2014, α-RuCl3, un matériau van der Waals isolant fortement bidimensionnel, suscite beaucoup d’intérêt dans la communauté scientifique. C’est un candidat prometteur de systèmes dits liquides de spins quantiques (LSQ) où la conductivité thermique de Hall, notée κxy, permettrait l’observation directe de quasi-particules exotiques : les fermions de Majorana. D’après un modèle théorique proposé par le physicien russe Alexei Kitaev en 2006, l’observation des fermions de Majorana dans le transport de chaleur transverse sous champ magnétique prouverait hors de tout doute l’existence d’un LSQ. En 2018, une étude menée par un groupe de recherche japonais présente la première observation expérimentale de ces fermions de Majorana dans α-RuCl3. Si ce résultat était reproduit par d’autres groupes de recherche, cela constituerait une percée majeure dans le domaine des matériaux quantiques – l’analogue thermique de l’effet Hall quantique découvert en 1980. Ce mémoire de maîtrise présente une étude exhaustive du transport thermique dans α-RuCl3 qui a permis d’explorer les mécanismes de transport de chaleur à travers le diagramme de phase magnétique.

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Étude du point critique de la phase pseudogap dans le cuprate Bi2201

Maude Lizaire

2019

Plus de 30 ans après la découverte des cuprates, la richesse et la complexité du diagramme de phases de ces supraconducteurs à haute température critique constituent toujours l'un des sujets de recherche les plus actifs en physique de la matière condensée. En particulier, l'origine de la mystérieuse phase pseudogap, dont les multiples facettes ont été sondées par une panoplie de sondes expérimentales, reste inconnue à ce jour. Le fil conducteur de ce mémoire est l'universalité des signatures en transport de la phase pseudogap. L'objectif de cette étude consiste alors à vérifier dans un nouveau composé la manifestation de comportements caractéristiques observés dans d'autres cuprates et associés à la phase pseudogap. Nous introduisons dans un premier temps la famille des cuprates et leur diagramme de phases, puis nous décrivons les coefficients de transport au coeur de cette étude ainsi que les propriétés qu'ils révèlent. Nous présentons ensuite le cuprate étudié, Bi2201, justifiant le choix de ce composé, et la méthode expérimentale. Nous exposons enfin les résultats de cinq coefficients de transport mesurés sous l'influence de forts champs magnétiques permettant d'accéder à l'état normal. De ces mesures, nous tirons cinq conclusions principales sur le composé Bi2201 à proximité de p*: (i) le régime de diffusion planckien est atteint, (ii) il y a une chute de la densité de porteurs, (iii) la loi de Wiedemann Franz est satisfaite, (iv) l'effet Hall thermique devient grand et négatif et (v) l'effet Seebeck diverge à basse température. L'observation de ces phénomènes dans un nouveau composé, Bi2201, constitue un argument clé convergeant vers l'universalité de ces propriétés.

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Propriétés électriques et thermoélectriques des cuprates supraconducteurs sous pression et champs magnétiques intenses

Amirreza Ataei

2019

La supraconductivité a haute température est accompagnée par différentes phases ayant été l’objet de nombreuses recherches et débats animes. Pour mieux comprendre ces différentes phases et leur interaction, nous avons étudié une vaste gamme de dopages dans la famille des supraconducteurs cuprates de LSCO, en particulier le Nd-LSCO (La1.6-xNd0.4SrxCuO4). Nous avons effectué des expériences de transport électrique, thermoélectrique et thermique pour étudier les ondes de densité de charge et de spin, le pseudo gap et la phase dite de métal étrange. Beaucoup de ces expériences de transport ont été effectuées dans des conditions extrêmes; dans des champs magnétiques élevés, a basses températures et sous de grandes pressions hydrostatiques. La phase d’onde de densité de charge (ODC ou CDW en anglais) reconstruit la surface de Fermi et modifie l’équilibre entre les porteurs de type électron et de type trou. En entrant dans cette phase, la dépendance en température du coefficient de Hall, RH, et du coefficient de Seebeck, S, montrent une chute. En traçant les signatures de la température de début CDW dans les sondes de transport a différents dopages, nous avons trouvé le point final de cette phase (pCDW) et constate qu’il est diffèrent du point critique du pseudo gap (p*). Nous avons également étudié l’effet de la pression sur la phase CDW. Nous avons découvert qu’en augmentant la pression, la température à laquelle le coefficient de Seebeck devient négatif, T0, diminue, ce qui indique que la phase CDW devient plus faible. En revanche, la température de transition supraconductrice, Tc, augmente car la phase supraconductrice devient plus forte. Au contraire, le début de la phase de CDW, TCDW, qui se situe juste en dessous de la transition structurale, augmente sous la pression. Cette augmentation a été constatée a la fois dans la dépendance en température de RH et S/T. Cette observation montre que l’une des contraintes pour l’apparition de la phase CDW est la structure cristalline et révèle la compétition entre les phases supraconductrice et CDW. Nous avons étudié l’effet de la pression sur la phase pseudo gap en utilisant les sondes électriques et thermoélectriques. A p = 0.22 < p∗ = 0.23, dans la dépendance de la résistivité et de l’effet Hall en fonction de la température, nous avons observé qu’une augmentation correspond a la phase de pseudo gap supprimée par l’application de la pression. Cela montre que le point critique du pseudo gap réduit en dopage en augmentant la pression. Nous avons également observe que T* n’est pas affecté par la pression aux faibles dopages

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Étude en transport de la phase pseudogap des cuprates supraconducteurs : point critique, limite Planckienne et transformation de la surface de Fermi

Anaëlle Legros

2018

Malgré trente ans de recherche intensive sur les cuprates, l'origine de l'appariemment des électrons dans leur état supraconducteur demeure un mystère. Probablement associée à cet appariemment, on trouve dans leur diagramme \textit{T}-dopage l'énigmatique phase pseudogap, responsable d'un grand nombre de propriétés exotiques dans l'état normal. Le débat autour de la nature de cette phase dans les cuprates dopés en trous a motivé le travail expérimental présenté ici. Nous nous intéressons plus spécifiquement au point critique à T = 0 noté p*. Pour étudier cette région du diagramme, nous travaillons d'un côté à l'obtention de monocristaux de cuprates surdopés, et de l'autre côté à des mesures de transport sur divers cuprates, soit dans des composés peu étudiés près de p*, soit en utilisant de nouvelles sondes pour l'étude du pseudogap. Nous faisons croître des monocristaux de HgBa2CuO 4 + δ par technique d'auto-flux, puis modifions leur dopage ainsi que celui de cristaux de Bi2Sr2CaCu2O8 + δ à l'aide de traitements thermiques sous atmosphère contrôlée. La première étude en transport porte sur la résistivité linéaire en T à T -> 0, caractéristique d'un métal étrange. Nous mesurons la résistivité en champ magnétique intense d'un échantillon de Bi2212 à p = p*, révélant également ce phénomène. Nous étudions la pente de la résistivité et la comparons dans différents cuprates dopés en trous et en électrons, mettant en évidence que le taux de diffusion correspond à la limite Planckienne dans les cuprates. La seconde étude porte sur la transformation subie par la surface de Fermi en traversant p*. Nous établissons pour la première fois la magnétorésistance en angle à des dopages autour de p*, dans La1.6-xNd0.4SrxCuO4 en champ magnétique intense, qui devrait mener à terme à de nouvelles informations sur la transformation de la surface de Fermi. La troisième étude porte sur la nature de la phase pseudogap pour p = p*, jusqu'aux faibles dopages. Une étude de l'effet Hall thermique dans une large gamme de dopages (jusqu'à p = 0) et dans quatre cuprates différents permet de révéler une nouvelle signature du pseudogap, d'origine magnétique.

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Étude de la conductivité thermique dans SmB6, un isolant de Kondo topologique

Marie-Eve Boulanger

2018

L’hexaborure de samarium, SmB6, est un isolant de Kondo topologique découvert il y a plus de 50 ans. Tout récemment, l’observation d’oscillations quantiques dans SmB6 suggère qu’il pourrait y avoir des excitations fermioniques sans charge à basse température dans le volume isolant de ce matériau. Il s’agit d’une proposition révolutionnaire ! Une façon de détecter de telles excitations est via leur capacité à transporter l’entropie, ce qu’une mesure de conductivité thermique devrait détecter comme un terme linéaire résiduel dans la limite où la température tend vers zéro.
Ce mémoire porte sur des mesures de conductivité thermique dans SmB6 jusqu’à 70 mK sur divers monocristaux et dans des champs magnétiques allant jusqu’à 15 T. Pour tous les échantillons, en extrapolant les données à basse température, nous observons que le terme résiduel est nul. Nous ne trouvons donc aucune preuve directe de la présence de fermions. Cependant, nous observons une augmentation importante de la conductivité thermique lors de l’application d’un champ magnétique. Nous proposons un scénario où la chaleur est portée principalement par des phonons qui sont diffusés par des impuretés magnétiques, un mécanisme qui serait atténué par l’application d’un champ. Les données présentées ici seront comparées à deux études semblables publiées récemment. Les résultats de ce mémoire ont été publiés en juin 2018 dans la revue Physical Review B.

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Reconstruction de la surface de Fermi par ordre de densité de charge dans le supraconducteur cuprate LSCO

Seyedeh Arezoo Ahmadi Afshar

2018

Depuis la découverte des cuprates supraconducteurs en 1986, la plus importante question qui demeure est : pourquoi leur température de transition supraconductrice Tc est-elle si élevée? Obtenir une réponse à cette question requiert que l’on comprenne le lien entre la phase supraconductrice et deux autres phases des cuprates : une phase d’onde de densité de charge (ODC) et la mystérieuse phase pseudogap. Il est aussi important de comprendre le lien entre ces deux dernières phases. Lors de mon projet de maîtrise, mon but était de délimiter la région dans laquelle l’ODC subsiste dans le diagramme de phase du cuprate La2−xSrxCuO4 (LSCO) dans la limite T = 0 en l’absence de la supraconductivité. À cette fin, j’ai effectué des mesures des coefficients de Hall RH et Seebeck S à basse température et à champ magnétique intense sur différents échantillons de LSCO dans un intervalle de dopage entre x = 0.07 et x = 0.15. Puisque le champ magnétique requis pour supprimer la supraconductivité à certains de ces dopages excède 20 T, certaines mesures ont dû être effectuées dans des laboratoires de champs magnétiques intenses, spécifiquement au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses à Grenoble et au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee. Les mesures de transport peuvent détecter la présence d’ODC via l’effet que cet ordre a sur la surface de Fermi, notamment une reconstruction qui produit une petite poche d’électrons, détectable par une chute de RH(T) et de S/T vers des valeurs négatives à basse température tel qu’établi dans le cuprate YBCO [1, 2, 3]. Dans LSCO, nous observons un chute similaire de RH(T) et de S/T vers des valeurs négatives a x = 0.11, 0.12 et 0.13, les trois dopages auxquels l’ODC a été observée par diffraction des rayons X [4]. En étendant l’étude à des dopages plus bas et plus élevés, nous trouvons que la reconstruction de la surface de Fermi induite par l’ODC est confinée à 0.085 < p < 0.15. Le fait que l’ODC disparaisse à pCDW = 0.15, bien en dessous du point limite de la phase pseudogap à p*= 0.18, implique que ces deux phases sont distinctes. Elles peuvent donc être traitées séparément lorsqu’on étudie leur impact sur la supraconductivité.

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Point critique quantique de la phase pseudogap dans les cuprates supraconducteurs

Bastien Michon

2017

Cette thèse expérimentale explore les propriétés du point critique de la phase pseudogap dans le diagramme de phase des cuprates supraconducteurs. Dans une première partie, j'expose un état de l'art sur les connaissances du diagramme de phases température-dopage (T-p) de ces systèmes. De récentes études montrent une chute importante de la densité de porteurs électroniques au voisinage du point critique, suggérant une reconstruction de la surface Fermi. Pour comprendre la nature exacte de la transition de phases liée à cette reconstruction, j'ai réalisé des mesures complémentaires de transport thermique et de chaleur spécifique sous champ magnétique intense sur les familles La1.8-xSrxEu0.2CuO4 et La1.6-xSrxNd0.4CuO4. Dans une deuxième partie, après une introduction théorique sur la chaleur spécifique et le transport thermique, je détaille comment ces deux grandeurs ont été mesurées. En particulier, une technique originale de mesure de la chaleur spécifique a été mise au point pour combiner haute résolution et précision absolue en champ magnétique intense et basse température. Différents modèles thermiques et électroniques ont été développés pour comprendre et analyser les mesures, et ont permis d'optimiser les différents montages de chaleur spécifique selon les gammes de température. Dans une troisième partie, je présente l'ensemble des résultats obtenus en transport thermique et chaleur spécifique. Le transport thermique confirme la chute de la densité de porteur dans l'état normal (sans supraconductivité) des cuprates déjà observée en transport électrique sous champ intense. Par ailleurs, j'ai montré que cette chute existe également au sein de la phase supraconductrice (à champ magnétique nul), soulevant le fait qu'elle n'est influencée ni par la présence de la supraconductivité ni par le champ magnétique. Dans l'état normal, la loi de Wiedemann-Franz est respectée prouvant le caractère métallique de la phase pseudogap. La chaleur spécifique électronique montre un comportement non classique à proximité du point critique. Ce comportement anormal est caractérisé par une dépendance logarithmique en fonction de la température au dopage critique p* correspondant à la chute du nombre de porteurs. De plus, ces mesures suggèrent une divergence de la masse effective à p* en fonction du dopage. Ces deux observations sont la signature d'un point critique quantique localisé à T = 0K et p = p* dont l'origine est discutée dans la dernière partie. Les différentes classes d'universalités possibles sont discutées et une comparaison avec d'autres composés (fermions lourds, pnictures) possédant un point critique quantique est présentée.

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De la densité des fluides électroniques dans deux oxydes supraconducteurs

Clément Collignon

2017

Cette thèse se décompose en deux parties. Dans la première, nous nous intéressons au premier champ critique, Hc1, du titanate de strontium, que nous mesurons à l’aide d’un réseau de microsondes de Hall taille dans un gaz bidimensionnel. La valeur du premier champ critique nous permet alors d’évaluer la densité superfluide à six différents dopages couvrant l’ensemble du dôme supraconducteur. À bas dopage, nous trouvons que celle-ci correspond à la densité de porteurs dans l’état normal tandis qu’au-delà du dopage optimal, celle-ci chute drastiquement. En plaçant nos résultats dans le contexte de la loi de Homes, nous voyons que cette chute s’explique par l’entrée dans la limite sale. Un lissage multibande de Hc1(T), dans ce contexte semble également indiquer que la supraconductivité émerge de la bande la plus basse et est seulement induite dans les deux autres bandes. Dans la seconde partie, nous regardons l’évolution de la densité de porteurs, n, du cuprate Nd-LSCO. Nous mesurons ainsi six échantillons de dopages proches du point critique pseudogap, p*, via trois sondes de transport : effet Hall, résistivité et effet Seebeck. Nous trouvons que n chute de 1+p a p a l’entrée dans la phase pseudogap. En comparant les différentes sondes, nous montrons que cette chute est due à une reconstruction de la surface de fermi et qu’il existe sûrement des poches d’électrons et de trous juste en dessous de p*. Ceci est en accord, entre autres, avec un scénario antiferromagnétique. Finalement, nous trouvons que la mobilité est inchangée à l’entrée dans la phase pseudogap et que les mesures de transports semblent insensibles à la divergence de la masse effective vue par chaleur spécifique.

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Étude du gap supraconducteur du FeSe par la conductivité thermique

Patrick Bourgeois-Hope

2017

Le séléniure de fer, FeSe, est un matériau prometteur qui attire beaucoup d'attention depuis qu'il a décroché le record de la température critique la plus élevée chez les supraconducteurs à base fer. L'absence d'une phase magnétique à proximité de sa phase supraconductrice cause un questionnement sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons dans ce supraconducteur. La symétrie avec laquelle ce mécanisme opère peut être déterminée en identifiant la structure et la symétrie du gap supraconducteur du FeSe. Plusieurs études du gap ont été menées, mais elles n'ont pas permis d'arriver à un consensus. Certaines mesures détectent des noeuds dans le gap supraconducteur tandis que d'autres rapportent un gap non nodal. L'incapacité à réconcilier les données existantes est en partie due au manque de mesures effectuées sur des monocristaux propres étant capables de résoudre des excitations à très basse énergie. Ce mémoire présente une étude du gap supraconducteur du FeSe utilisant la mesure de la conductivité thermique dans la limite où la température tend vers zéro comme sonde. Dans ce régime de température, il a été possible d'examiner les excitations à très faible énergie de l'état supraconducteur à l'aide d'un champ magnétique finement ajusté. De cette manière, un portrait très détaillé de la dispersion en énergie des quasiparticules a été dressé. Nous ne détectons pas de quasiparticules à énergie nulle et excluons donc la présence de noeuds sur le gap supraconducteur. Nous observons un comportement de supraconducteur à deux bandes, suggérant que les deux poches de la surface de Fermi ont des gaps différents dont les amplitudes diffèrent par un facteur 10. De plus, la grandeur du plus petit de ces deux gaps varie lorsque le niveau de désordre du matériau change, ce qui suggère que le petit gap est anisotrope. Cette dernière observation permet de réconcilier les études antérieures puisqu'une anisotropie du gap peut engendrer des noeuds accidentels sur le gap si le niveau de désordre du matériau est suffisament bas. Quelques études très récentes, parues en même temps que les résultats présentés ici, corroborent le scénario proposé et sont présentées à la fin du mémoire.

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Une fable de phases en interaction dans les cuprates supraconducteurs contée par le transport thermique

Gaël Grissonnanche

2016

Cette thèse traite l'interaction d'ordres en compétition dans les cuprates supraconducteurs dopés en trous; il sera question de supraconductivité et d'ordre de charge. Dans une première étude, la conductivité thermique $\kappa_{\rm xx}$ sous forts champs magnétiques du cuprate YBCO est utilisée pour mesurer le champ critique $H_{\rm c2}$. Cette expérience révèle la forte compétition entre la supraconductivité et l'ordre de charge dans ces matériaux dopés en trous. Ce résultat représente la première mesure directe de champ critique $H_{\rm c2}$ dans cette famille de supraconducteurs et démontre l'absence de liquide de vortex à température nulle. Dans une deuxième étude, la combinaison de l'effet Hall thermique $\kappa_{\rm xy}$ et de mesures électriques sous forts champs magnétiques permet l'exploration de la loi de Wiedemann-Franz dans le cuprate YBCO. En démontrant que cette loi est satisfaite au-dessus du champ magnétique critique $H_{\rm c2}$ déterminé lors du premier projet, cette expérience montre qu'il ne reste pas de supraconductivité au-dessus du champ magnétique critique et que l'état normal des cuprates sous-dopés est métallique. Dans une troisième étude, l'effet Hall thermique $\kappa_{\rm xy}$ est utilisé pour sonder la surface de Fermi d'un matériau dans sa phase supraconductrice. Pour les cuprates sous-dopés en trous, ce projet révèle qu'il n'y a pas de reconstruction de la surface de Fermi en champ nul par l'ordre de charge à courte portée. Cette expérience pionnière représente ainsi le trait d'union manquant entre de nombreux résultats qui pourtant parurent contradictoires au premier abord.

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Changement universel de la symétrie d'appariement dans les supraconducteurs KFe2As2, RbFe2As2 et CsFe2As2

Alexandre Ouellet

2016

Lors d'études précédentes, il a été observé que la température critique de la transition supraconductrice des matériaux KFe$_2$As$_2$ et CsFe$_2$As$_2$ diminue en fonction d'une pression hydrostatique pour ensuite remonter après avoir dépassé une certaine pression critique (17,5 et 14 kbar). La mesure du coefficient de Hall à température nulle, ainsi que des mesures des oscillations de de Haas-van Alphen, indique que ce changement brusque de comportement n'est pas dû à un changement dans la surface de Fermi. Afin d'expliquer ce phénomène, l'hypothèse apportée est celle d'un changement de la symétrie d'appariement des paires de Cooper. Une transition d'une symétrie de type d à une de type s est supportée par l'ajout d'impuretés, des mesures de conductivité thermique et l'évolution en pression de la résistivité.
Dans le cadre de ce mémoire, la résistivité, l'effet Hall et le champ critique supérieur ont été mesurés pour le matériau RbFe$_2$As$_2$ en fonction d'une pression hydrostatique, complétant ainsi le portrait pour trois matériaux de même structure. Comme pour les deux premiers matériaux, une remontée de la température critique à une certaine pression critique (11 kbar) est observée, sans conséquence notable sur l'effet Hall. De plus, les données de champ critique supérieur, analysées conjointement à des données déjà prises pour KFe$_2$As$_2$, montrent un saut de la quantité $\frac{1}{T_c}\left(-\frac{\partial H_{c2}}{\partial T}\right)_{T_c}$ à la pression critique, ce qui indique un changement de la structure du gap supraconducteur et consolide le scénario d'un changement de la symétrie d'appariement des paires de Cooper.

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Effet de la pression sur la renconstruction de la surface de Fermi du cuprate supraconducteur La1.6-xNd0.4SrxCuO4

Sophie Dufour-Beauséjour

2015

Ce mémoire présente une étude de l’effet d’une pression hydrostatique sur la reconstruction de la surface de Fermi dans le cuprate supraconducteur La1.6-xNd0.4 Sr xCuO 4. Des mesures de la résistivité et de l’effet Hall ont été effectuées à Sherbrooke ainsi qu’au National High Magnetic Field Laboratory de Tallahassee sur des échantillons de La1.6-xNd 0.4 SrxCuO4 à deux dopages d’intérêt.
Une revue de la littérature pertinente à la mise en contexte des résultats est d’abord présentée, portant notamment sur les études de pression déjà publiées dans le domaine. Quelques notions théoriques sur le transport électrique et sur les signatures des fluctuations quantiques associées à la présence d’un point critique quantique sont ensuite amenées. La méthode expérimentale est décrite en détail et le fonctionnement des cellules de pression est expliqué. Les résultats obtenus dans le cadre de ces travaux sont ensuite présentés. Finalement, une discussion propose quelques pistes d’interprétation pour ces résultats.
Les mesures d’effet Hall sous pression ont permis de montrer que la reconstruction de la surface de Fermi est supprimée à p = 0.20. Les données de résistivité témoignent d’un déplacement de la ligne T∗ associée au pseudogap et montrent qu’une pression de 20 kbar suffit à révéler un intervalle de dopage où la résistivité est linéaire jusqu’à très basse température.
Ces résultats font état d’une grande ressemblance entre La[indice inférieur 1.6−x]Nd[indice inférieur 0.4]Sr[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] sous pression et La[indice inférieur 2−x]Sr[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4], le composé parent. Ils appuient de plus la thèse que la pression supprime l’ordre de charge associé à la reconstruction de la surface de Fermi.

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Brisure de symétrie et reconstruction anisotrope de la surface de Fermi dans la phase pseudogap des cuprates

Olivier Cyr-Choinière

2014

Des mesures de l'effet Nernst dans la phase pseudogap des cuprates YBa2Cu3Oy (YBCO) et ceux de la famille de La 2-xSrxCuO4(LSCO) révèlent la sensibilité de cette sonde à l'apparition du pseudogap à la température T*. Ces mesures d'effet Nernst montrent aussi l'étendue restreinte en température des fluctuations supraconductrices par rapport à la contribution des quasiparticules normales. Ces deux observations permettent l'établissement d'un diagramme de phase dopage-température pour ces matériaux indiquant clairement les limites du pseudogap et des fluctuations supraconductrices. Ces mêmes mesures sur des cristaux d'YBCO et de Nd-LSCO démaclés et orientés dans les deux directions de la structure cristalline orthorhombique, a et b, montrent une importante anisotropie de l'effet Nernst indiquant une brisure de symétrie de rotation apparaissant justement à T*. Une compréhension plus approfondie de cette brisure de symétrie pointe vers une étude complète de l'anisotropie des coefficients de transport électrique et thermoélectrique d'YBCO et du test des relations de réciprocité d'Onsager. L'étude montre que la conductivité de Hall est isotrope et ne viole donc pas la relation d'Onsager en champ magnétique. L'observation d'une anisotropie des coefficients thermoélectriques longitudinaux et transverses indique tout d'abord la présence d'une forte nématicité, ensuite une violation de la relation de Mott. Il est suggéré que le pseudogap des cuprates consiste en une phase nématique de fluctuations d'ordre de charge se stabilisant à basse température et reconstruisant la grande surface de Fermi de trous en une surface anisotrope comportant des poches d'électrons et de trous.

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Étude de la symétrie du paramètre d'ordre dans le supraconducteur à base de fer KFe2As2

Alexandre Juneau Fecteau

2014

Le supraconducteur à base de fer KFe2As2 constitue une énigme en raison de la symétrie inusitée de son paramètre d'ordre. Contrairement aux autres supraconducteurs à base de fer, qui sont de symétrie s-wave, ce matériau semble partager la symétrie d-wave des cuprates comme YBCO. Le transport thermique est une sonde expérimentale très efficace pour déterminer la structure du paramètre d'ordre en révélant la présence de nœuds sur la surface de Fermi où le gap en énergie associé à la supraconductivité est nul. Ce mémoire présente des données de conductivité thermique obtenues dans KFe2As2 selon les axes cristallins a et c et pour différentes orientations du champ magnétique. Les mesures couvrent un intervalle en température de 50 mK à 500 mK. La présence d'un terme résiduel linéaire k[indice inférieur 0] / T en champ nul indique la présence de nœuds. L'anisotropie de ce terme résiduel selon les directions a et c implique que les nœuds sont disposés sur des lignes verticales selon l'axe k[indice inférieur z] sur tous les feuillets de la surface de Fermi. Ce résultat suggère fortement un gap de symétrie d-wave. De plus, k[indice inférieur 0] / T n'est pas affecté par la variation du taux de diffusion dans des échantillons de puretés différentes. Cette propriété, appelée universalité de la conductivité thermique, est caractéristique des supraconducteurs de symétrie d-wave. Bien qu'une récente étude menée à l'aide de l'ARPES dans KFe2As2 indique plutôt un gap s-wave, le calcul du comportement en champ magnétique de ce matériau à partir des valeurs du gap obtenues par l'ARPES est incompatible avec les données expérimentales de conductivité thermique. La dépendance en champ magnétique de la conductivité thermique est par ailleurs reproduite presque parfaitement par un modèle d-wave. Déterminer la symétrie du paramètre d'ordre du supraconducteur est crucial afin de comprendre le mécanisme d'appariement. À cet égard, KFe2As2 offre la possibilité de faire le lien entre les deux grandes familles de supraconducteurs: les cuprates et les supraconducteurs à base de fer.

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Évolution des quasiparticules nodales du cuprate supraconducteur YBa2Cu3Oy en conductivité thermique

Samuel René De Cotret

2013

Ce mémoire présente des mesures de conductivité thermique sur les supraconducteurs YBCO et Tl-2201 afin de statuer sur la présence possible d'un point critique quantique (QCP) dans le diagramme de phase de cuprates. Ce point critique quantique serait à l'origine de la reconstruction de la surface de Fermi, d'un large cylindre de trous en de petites poches de trous et d'électrons. La conductivité thermique dans le régime T [arrow right] 0 permet d'extraire une quantité purement électronique liée aux vitesses de Fermi et du gap, au noeud. Une discontinuité dans cette quantité pourrait signaler la traversée du dopage critique qui reconstruit la surface de Fermi. Plusieurs sondes expérimentales distinguent une transition de phase ou un crossover à T * à température finie. D'autres sondes mettent en évidence une transition de phase sous l'effet d'un champ magnétique. La présence ou non de cet ordre, à température et champ magnétique nul questionne la communauté depuis plusieurs années. Dans cette étude, nous détectons une variation brusque de ?0 /T à p = 0.18 dans YBCO et à p = 0.20 dans Tl-2201. Ces sauts sont interprétés comme un signe de la transition à température nulle et sont en faveur d'un QCP. Le manque de données d'un même matériau à ces dopages ne permet pas de valider hors de tout doute l'existence d'un point critique quantique. Le modèle théorique YRZ décrit aussi bien les données de conductivité thermique. Des pistes de travaux expérimentaux à poursuivre sont proposées pour déterminer la présence ou non du QCP de façon franche.

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Fluctuations supraconductrices comme source de l'effet Nernst dans un cuprate dopé en électrons

Francis Laliberté

2013

D'une part, l'effet Nernst est connu pour être sensible aux fluctuations supraconductrices, c'est-à-dire aux manifestations de l'état supraconducteur à des températures supérieures à la température critique. D'autre part, les cuprates, en raison de leur caractère fortement bi-dimensionnel et de leur courte longueur de cohérence, sont sujets à être particulièrement affectés par les fluctuations de phase de l'ordre supraconducteur. Ces deux éléments sont à l'origine d'une croyance très répandue selon laquelle les fluctuations de phase sont la cause de l'amplitude anormalement grande de l'effet Nernst dans les cuprates et sont associées à la présence du pseudogap du côté sous-dopé. Dans cette thèse, l'effet Nernst d'un cuprate dopé en électrons a été mesuré afin d'établir la nature des fluctuations. Les échantillons étudiés, des couches minces de PCCO, révèlent que la théorie classique des fluctuations gaussiennes peut adéquatement décrire le signal obtenu, à condition que la contribution des quasi-particules soit correctement traitée. L'évolution en fonction du dopage, du régime sous-dopé à celui sur-dopé, montre que l'amplitude des fluctuations dans l'effet Nernst suit la dépendance en dôme de la température critique, tout comme dans les cuprates dopé en trous et en opposition avec un scénario de fluctuations de phase. Les résultats obtenus, en accord quantitatif avec ceux des études antérieures, permettent de conclure que le diagramme de phase des cuprates est dominé par la compétition de phase et la criticalité quantique causant une reconstruction de la surface de Fermi.

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Investigation de l'anisotropie du gap supraconducteur dans les composés Ba(Fe1-xCox)2As2, Ba1-xKxFe2As2, LiFeAs et Fe 1-ΔTe1-xSex

Jean-Philippe Reid

2012

La structure du gap supraconducteur et sa modulation sont intimement liées au potentiel d'interaction responsable de l'appariement des électrons d'un supraconducteur. Ainsi, l'étude de la structure du gap-SC et de sa modulation permet de faire la lumière sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons. À cet égard, les résultats expérimentaux des supraconducteurs à base de fer ne cadrent pas dans un seul ensemble, ce qui est en opposition au gap-SC universel des cuprates. Dans ce qui suit, nous présenterons une étude systématique du gap-SC pour plusieurs pnictides. En effet, en utilisant la conductivité thermique, une sonde directionnelle du gap-SC, nous avons été en mesure de révéler la structure du gap-SC pour les composés suivants : Ba[indice inférieur 1-x]K[indice inférieur x]Fe[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], Ba(Fe[indice inférieur 1-x]Co[indice inférieur x])[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], LiFeAs et Fe[indice inférieur 1-[delta]] Te[indice inférieur 1-x]Se[indice inférieur x]. L'étude de ces quatre composés, de trois différentes familles structurales, a pu établir un tableau partiel mais très exhaustif de la structure du gap-SC de pnictides. En effet, tel qu'illustré dans cette thèse, ces quatre composés ne possèdent aucun noeud dans leur structure du gap-SC à dopage optimal. Toutefois, à une concentration différente de celle optimale pour les composés K-Ba122 et Co-Ba122, des noeuds apparaissent sur la surface de Fermi, aux extrémités du dôme supraconducteur. Ceci suggère fortement que, pour ces composés, la présence de noeuds sur la surface de Fermi est nuisible à la phase supraconductrice.

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Effets Seebeck et Nernst dans les cuprates étude de la reconstruction de la surface de Fermi sous champ magnétique intense

Francis Laliberté

2010

Ce mémoire présente des mesures de transport thermoélectrique, les effets Seebeck et Nernst, dans une série d’échantillons de supraconducteurs à haute température critique. Des résultats obtenus récemment au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses à Grenoble sur La1.7Eu0.2Sr0.1CuO4, La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4, La1.64Eu0.2Sr0.16CuO4, La1.74Eu0.1Sr0.16CuO4 et La1.4Nd0.4Sr0.2CuO4 sont analysés. Une attention particulière est accordée aux équations de la théorie semi-classique du transport et leur validité est vérifiée. La procédure expérimentale et les matériaux utilisés pour concevoir les montages de mesures sont expliqués en détail. Enfin, un chapitre est dédié à l’explication et l’interprétation des résultats de transport thermoélectrique sur YBa2Cu3O6+d publiés au cours de l’hiver 2010 dans les revues Nature et Physical Review Letters. Les données d’effet Seebeck dans les échantillons de La1.8-xEu0.2SrxCuO4, où un changement de signe est observé, permettent de conclure à la présence d’une poche d’électrons dans la surface de Fermi qui domine le transport à basse température dans la région sous-dopée du diagramme de phase. Cette conclusion est similaire à celle obtenue par des mesures d’effet Hall dans YBa2Cu3O6+d et elle cadre bien dans un scénario de reconstruction de la surface de Fermi. Les données d’effet Nernst recueillies indiquent que la contribution des fluctuations supraconductrices est limitée à un modeste intervalle de température au-dessus de la température critique.

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Transport magnéto-thermique dans les cuprates de la famille La 2-xSrxCuO4

Olivier Cyr-Choinière

2009

Ce mémoire présente des mesures expérimentales des propriétés de transport, notamment la résistivité, l'effet Hall, le pouvoir thermoélectrique et l'effet Nernst des cuprates La1.6-x Nd0.4 Sr x CuO4 (Nd-LSCO) et La1.8- x Eu0.2 Srx CuO4 (Eu-LSCO) à divers dopages (x = 0.08 à 0.24). Ces mesures révèlent des comportements non-liquide de Fermi (NLF) ainsi que la présence d'un point critique quantique (PCQ) dans Nd-LSCO à un dopage p = 0.235 « 0.005. Des remontées et anomalies dans ces propriétés de transport montrent des preuves marquantes d'une diminution du nombre de porteurs de charge n avec la chute de la température, résultant d'une reconstruction de la surface de Fermi (RSF). L'apparition de ces remontées et anomalies dans Nd/Eu-LSCO coïncide avec l'apparition d'un ordre de stripe (rayures): modulation à longue portée dans l'espace de la charge et/ou du spin. La présence d'un tel ordre est suffisant pour briser la symétrie de translation du système et est ainsi une cause possible de la RSF. La détermination de la température caractéristique de l'effet Nernst Tv , corrélée avec la température pseudogap T *, pour l'ensemble de ces matériaux en plus de La2-x Sr x CuO4 (LSCO) permet de construire un diagramme de phase générique pour LSCO montrant la frontière T *, grande à bas dopage, diminuer à mesure que le dopage augmente, et tomber à zéro au PQC. La phase pseudogap est alors attribuée à cet ordre de stripe, fluctuant entre T * et sa température de détection Tao, et se stabilisant à longue portée sous celle-ci, créant un bris de symétrie de translation engendrant une RSF. Observé sous forme de fluctuations à courte portée, cet ordre n'a pas été détecté de façon statique à longue portée dans YBa 2 Cu 3 O7-? (YBCO), toutefois, des évidences expérimentales dans le transport suggèrent un mécanisme commun à Nd/Eu-LSCO et YBCO.

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Reconstruction de la surface de Fermi dans l'état normal d'un supraconducteur à haute Tc une étude du transport électrique en champ magnétique intense

David Le boeuf

2009

Des mesures de résistance longitudinale et de résistance de Hall en champ magnétique intense transverse (perpendiculaire aux plans CuO 2) ont été effectuées au sein de monocristaux de YBa2Cu3Oy (YBCO) démâclés, ordonnés et de grande pureté, afin d'étudier l'état fondamental des supraconducteurs à haute Tc dans le régime sous-dopé. Cette étude a été réalisée en fonction du dopage et de l'orientation du courant d'excitation J par rapport à l'axe orthorhombique b de la structure cristalline. Les mesures en champ magnétique intense révèlent par suppression de la supraconductivité des oscillations magnétiques des résistances longitudinale et de Hall dans YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur 6.51] et YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 4]O[indice inférieur 8]. La conformité du comportement de ces oscillations quantiques au formalisme de Lifshitz-Kosevich, apporte la preuve de l'existence d'une surface de Fermi fermée à caractère quasi-2D, abritant des quasiparticules cohérentes respectant la statistique de Fermi-Dirac, dans la phase pseudogap d'YBCO. La faible fréquence des oscillations quantiques, combinée avec l'étude de la partie monotone de la résistance de Hall en fonction de la température indique que la surface de Fermi d'YBCO sous-dopé comprend une petite poche de Fermi occupée par des porteurs de charge négative. Cette particularité de la surface de Fermi dans le régime sous-dopé incompatible avec les calculs de structure de bande est en fort contraste avec la structure électronique présente dans le régime surdopé. Cette observation implique ainsi l'existence d'un point critique quantique dans le diagramme de phase d'YBCO, au voisinage duquel la surface de Fermi doit subir une reconstruction induite par l'établissement d'une brisure de la symétrie de translation du réseau cristallin sous-jacent. Enfin, l'étude en fonction du dopage de la résistance de Hall et de la résistance longitudinale en champ magnétique intense suggère qu'un ordre du type onde de densité (DW) est responsable de la reconstruction de la surface de Fermi. L'analogie de la phénoménologie entourant le comportement des résistances longitudinale et de Hall dans YBa[indice inférieur 2]Cu[indice inférieur 3]O[indice inférieur y], avec des systèmes dans lesquels l'existence d'un ordre du type DW est établie, notamment des cuprates à structure tétragonale à basse température ("Low Temperature Tetragonal", LTT), indique que l'ordre causant la reconstruction de la surface de Fermi est stabilisé au voisinage du dopage p = 1/8, et est en compétition directe avec la supraconductivité.

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Étude du transport électrique et thermique aux abords du point critique quantique de YbRh2Si2

Jean-Philippe Reid

2009

La physique entourant un point critique quantique (QCP) nous offre toujours certaines surprises. En effet, pour certains composés, c'est un point du diagramme de phase où il est possible d'observer d'impressionantes [i.e. impressionnantes] déviations de la théorie d'un Liquide de Fermi. Ou, pour d'autres, il y existe certaines phases qui y sont exclusives telle que la supraconductivité [1-5]. Par exemple, une étude complète du transport électrique et thermique fut complétée sur CeCoIn5 par Tanatar et al. [6] dans laquelle ils ont observé une violation de la loi de Weidemann Franz, un des piliers de la théorie d'un Liquide de Fermi, au QCP. Plus précisément, ils proposent une relation phénoménologique entre la linéarité de la résistivité (ρ) en fonction de la température pour T → 0 K et la violation de la loi de Weidemann Franz: les fluctuations générées au QCP sont responsables de la violation observée. Cette proposition est audacieuse et nous a poussé [i.e. poussés] à étudier un autre composé offrant le même genre de propriétés (YbRh2Si2) et c'est cette étude que nous vous présenterons. En effet, YbRh2Si2 est aussi un fermion lourd qui possède un QCP où il a été observé une quasi parfaite linéarité de la résistivité électrique (ρ) en fonction de la température sur un large intervalle de température reflétant la force des fluctuations vues à ce point [7]. Nous verrons que, dessous une température, indépendamment de l'orientation et de la valeur du champ magnétique, la loi de Wiedemann-Franz restera valide.

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Unconventional Superconductivity and Quantum-Criticality in the Heavy-Fermion Metal CeIrIn5

Hamideh Shakeripour

2008

The thermal conductivity and electrical resistivity of single crystals of CeIrIn5, one of the members of the CeMIn5 family (M = Co, Ir or Rh), were measured as a function of temperature, magnetic field, doping and current orientation with respect to the crystal axes, to investigate the superconducting and normal states of this compound. In particu- lar the aim of this study was to determine the gap symmetry of CeIrIn5, a heavy-fermion superconductor with Tc=0.4K.
Comparison of the in-plane, κa, and inter-plane, κc, thermal conductivity of high- purity CeIrIn5 crystals as T → 0 revealed a large anisotropy of the superconducting gap, which suggested a hybrid Eg gap symmetry for this compound. Our doping and magnetic field studies support this suggestion. The doping study with light substitution of Ce with La reveals universal heat transport in the plane and non-universal heat transport along the tetragonal axis. This is the first observation of universal heat transport in a heavy fermion system. In the magnetic field study, measurements of the overall temperature and magnetic field dependence of the inter-plane thermal conductivity, κc, in the mixed state show a clear anomaly at low temperature. This anomaly is most pronounced in the highest purity samples and for the magnetic field applied in the ab plane. The resulting H − T phase diagram suggests the existence of a new phase inside the superconducting state, which may confirm the existence of a two-component order parameter in this material.
Finally, electrical resistivity measurements reveal an anomalous T4/3 power law re- sistivity, ρ(T) = ρ0 + AT4/3, in the high field non-Fermi liquid regime of inter-plane transport. This suggests the presence of ferromagnetic spin fluctuations in this com- pound, beyond the well-known antiferromagnetic spin fluctuations in the 115 family. These ferromagnetic spin fluctuations are lead to a quantum phase transition at high fields in CeIrIn5.

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Étude en conductivité thermique du composé Sm2CuO4 dopé au cérium

Ronan Larger

2005

La famille des supraconducteurs dopés aux électrons tient son originalité d'un magnétisme important. Chez Sm2CuO4, des mesures de chaleur spécifique mettent en évidence un ordre antiferromagnétique des moments de terre rare. Après dopage en cérium et réduction, Sm[indice inférieur 2-x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4-[delta]], cet ordre est encore présent dans la phase supraconductrice. Puisque la chaleur spécifique est liée à la conductivité thermique ([kappa] = 1/3 C[upsilon]l]), l'ordre antiferromagnétique doit ressortir dans le tranport de chaleur. Une anomalie de [kappa] existe effectivement en dessous de la température de Néel des samarium. Trois acteurs peuvent en être à l'origine : les électrons, les phonons ou les magnons, chacun contribuant à [kappa] ([kappa] = [kappa][indice inférieur e]+[kappa][indice inférieur ph]+[kappa][indice inférieur mag]). Seuls les phonons semblent responsables de l'anomalie observée. En diffusant les phonons dans la phase antiferromagnétique, les magnons génèrent une diminution du libre parcours moyen des phonons, ce qui diminue la conductivité thermique. L'anomalie reflète finalement l'interaction des magnons avec les phonons. D'autres mesures à basse température visent à mettre en relief Sm[indice inférieur 1.85]Ce[indice inférieur 0.15]CuO[indice inférieur 4-[delta]] et Pr [indice inférieur 2-x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4-[delta]] (x=0.15 et 0.17). Un trait commun de ces matériaux est la présence d'un downturn s'accentuant avec l'application d'un champ magnétique suivant l'axe c. Malgré cela, la recherche tente de répondre à la géométrie du gap supraconducteur, et de caractériser l'état de vortex et l'état normal.

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Thermal conduction in the high temperature superconductors LSCO and Tl2201: A field and doping dependent study

David G. Hawthorn

2005

Heat transport by low-energy quasiparticles in YBa2Cu3Oy: a field and doping dependent study

Michael L. Sutherland

2005

Measurements of heat and charge transport at very low temperature were used to investigate the ground state of high-purity single crystals of the cuprate YBa2Cu3Oy as a function of doping. Samples were investigated on either side of the superconducting phase boundary, in both zero and applied magnetic field. We find that from optimal doping to a doping near the onset of superconductivity the elementary electronic excitations are understood to be nodal quasiparticles, whose excitation spectrum is governed by the energy scale of the pseudogap. In a magnetic field, these quasiparticles behave unexpectedly in our purest samples - conventional transport theory cannot account for their field and temperature dependence in either the unitary or Born scattering limits. At very low dopings, such that the hole concentration in the CuO2 planes is slightly less than the critical doping needed for the onset of superconducting order, we observe delocalized fermionic excitations at zero energy. This reveals that the ground state of clean underdoped cuprates is metallic, in contrast to the insulating ground state observed in underdoped La2−xSrxCuO4. The ratio of heat to charge transport in this metallic state violates the Wiedemann-Franz law, the first such observation in underdoped cuprates.

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Quantum criticality in the heavy-fermion superconductor CeCoIn5

Johnpierre Paglione

2005

Thermal conduction in the vortex state of unconventional superconductors>

Etienne Boaknin

2003

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