Magnétisme et nématicité dans la famille des nouveaux supraconducteurs au fer

par Joseph Mansart

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Véronique Brouet.

Soutenue le 16-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Marino Marsi.

Le jury était composé de Véronique Brouet, Marino Marsi, Daniel Malterre, Luca De' Medici, Pierre Rodière.

Les rapporteurs étaient Daniel Malterre, Luca De' Medici.


  • Résumé

    Ce travail de thèse a pour objet l'étude de la famille des supraconducteurs à base de fer, composés découverts en 2008 et présentant un diagramme de phase très riche dans lequel se trouve de la supraconductivité, du magnétisme, ainsi que d'autres ordres électroniques tel que la nématicité électronique. Ceci offre la possibilité de fortes interactions et/ou compétitions entre ces divers types d'ordres électroniques, et l'étude de ces composés vise à mieux comprendre la nature et le lien entre ces différents ordres. Ceci devrait permettre de mieux comprendre de façon générale les comportements collectifs des électrons corrélés dans les solides cristallins. Les supraconducteurs à base de fer sont en général des métaux et présentent un caractère multi-orbital,ce qui donne des degrés de liberté supplémentaires aux électrons. Dans cette thèse,nous avons étudié certains de ces matériaux par photoémission résolue en angle (ARPES),technique permettant de sonder leur structure électronique et d'estimer la force et la nature des corrélations électroniques dans chaque orbitale. Nous nous sommes intéressés à des phases non supraconductrices afin d'avoir une vision plus globale des supraconducteurs au fer. La première partie de cette thèse se concentre sur le composé FeSe. L'intérêt pour ce composé vient de l'émergence d'un nouveau type d'ordre électronique : la nématicité, où les électrons brisent spontanément la symétrie de rotation, ce qui rend les propriétés électroniques anisotropes.Grâce à l'ARPES, nous avons pu suivre l'évolution des différentes orbitales dxz, dyz et dxy,présentes au niveau de Fermi, à travers la transition structurale pour caractériser l'anisotropie de la structure électronique. Pour interpréter ces évolutions, nous avons collaboré au niveau théorique avec le groupe de Lara Benfatto de l'université de Rome. Nous avons élaboré un modèle où les fluctuations de spins, bien présentes dans FeSe même s'il n'y a pas d'ordre magnétique, sont capables de modifier la surface de Fermi. Ceci rend compte des modifications que nous observons par ARPES dans la phase nématique si on suppose que ces fluctuations deviennent anisotropes. La deuxième partie de cette thèse se penche sur les pnictures de la forme AM ₂ As ₂ (A = Ba, Sr, Ca, M = Fe, Co). Cette famille présente plusieurs cas où la nature du magnétisme est différente de celui que l'on trouve à proximité de la phase supraconductrice. Dans les composés à base de fer, il peut se produire une transition vers une phase "collapsée" qui a pour effet de supprimer les moments magnétiques locaux portés par les fers. Nous avons cherché à comprendre comment les propriétés électroniques sont affectées par cette transition. Dans les composés à base de cobalt, des fluctuations ferromagnétiques apparaissent dans les plans CoAs, et CaCo ₂ As ₂ s'ordonne magnétiquement à 72K. C'est un magnétisme plutôt itinérant, assez différent de celui des phases au fer, et nous avons voulu observer cette transition et l'évolution des corrélations dans cette limite. Durant cette étude nous avons été amené à nous poser des questions sur la façon dont l'ARPES, qui est une technique de surface, peut visualiser l'évolution des structures électroniques, notamment la tridimensionnalité, entre les différents composés où la distance entre les plans CoAs varie fortement suivant la nature de A.

  • Titre traduit

    Magnetism and nematicity in the novel family of iron-based superconductors


  • Résumé

    This thesis focuses on the study of the family of iron-based superconductors,compounds discovered in 2008 and displaying a rich phase diagram where there is superconductivity, magnetism and also other electronic orders such as electronic nematicity. This offers the possibility for strong interactions and/or competitions between those various electronic orders,and the study of these compounds aim for a better understanding of the nature and the link between these orders. This should allow generally a better understanding of the collective behavior of correlated electrons in crystalline solids. These compounds are generally metals and havea multi-orbital nature, giving extra degrees of freedom to the electrons. During this PhD, westudied some of these materials using Angle Resolved Photoelectron Spectroscopy (ARPES),a technique allowing to probe their electronic structure and estimate the nature and strength of electronic correlations in each orbital. We focused on phases that are not superconducting,in order to have a more global view of iron-based superconductors. The first part of this PhD focuses on FeSe. The interest for this compound comes from the emergence of a new sort of electronic order : the nematicity, where the electrons break spontaneously the rotational symmetry, making the electronic properties anisotropic. Thanks to ARPES, we were able to follow the evolution of the various orbitals dxz, dyz and dxy, existing at the Fermi level, through the structural transition in order to characterize the electronic structure anisotropy. To interpret these evolutions, we collaborated with the theory group of Lara Benfatto from the Roma uni-versity. We elaborated a model where spin fluctuations, which exist in FeSe although there isno magnetic order, are able to modify the Fermi surface. This reflects the modifications that we observe by ARPES in the nematic phase if we suppose these fluctuations become anisotropic.The second part of this PhD focuses on the pnictides with the form AM ₂ As ₂ (A = Ba, Sr, Ca,M = Fe;Co). This family displays several cases where the magnetism is different from that found near the superconducting phases. In the iron-based compounds, there is a transition towards a collapsed phase where the magnetism is suppressed. We have tried to understand how the electronic properties are affected by this transition. In the cobalt-based compounds,ferromagnetic fluctuations appear within the CoAs planes, and CaCo ₂ As ₂ orders at 72K. This magnetism is itinerant, quite different from that found in the iron-based compounds, and we wanted to observe this transition and the evolution of the correlations in this limit. During this study we have come to question ourselves about the way ARPES, which is a surface technique,can visualize the evolution of the electronic structure, notably its three dimensionality, among the different compounds where the distance between CoAs layers strongly changes depending on the nature of A.


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