vitesse du son dans la phase pseudogap des cuprates supraconducteurs à haute température

par Mehdi Frachet

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Marc-Henri (phys) Julien et de David Le Boeuf.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec LNCMI - Laboratoire Nationale des Champs Magnétiques Intenses (laboratoire) depuis le 11-10-2016 .


  • Résumé

    La supraconductivité à haute température critique est attrayante pour son potentiel technologique important mais également, et surtout, pour le mystère qu'elle renferme. En effet les supraconducteurs à haute température critique sont connus comme étant des systèmes fortement corrélés dans lesquels le comportement des électrons au sein du réseau cristallin défie notre compréhension. Ces supraconducteurs exposent les limites du modèle standard des solides qui décrit des cristaux comme le cuivre ou germanium. Dans les supraconducteurs à haute température critique ces fortes corrélations électroniques naissent à partir d'un composé parent dans lequel la forte répulsion coulombienne entre sites empêche les électrons de se déplacer. Comment cet isolant de Mott affecte le reste du diagramme de phase des cuprates? Comment est-ce relié aux phases énigmatiques apparaissant dans ces systèmes, comme la phase métal étrange ? Ce n'est pas encore établi. Deux grands cadres théoriques conflictuels existent pour expliquer le diagramme de phase des cuprates. Ils diffèrent en de nombreux aspects mais le point central est la description de la phase pseudogap : est ce une véritable phase de la matière avec un paramètre d'ordre bien défini ou bien une phase sans paramètre d'ordre, fortement affectée par la phase isolant de Mott. Le but de ce projet est d'apporter de nouvelles informations sur cette phase pseudogap en mesurant la vitesse du son. Cette sonde n'a été que peu utilisée dans ce régime mais semble prometteuse [D. LeBoeuf, Nat. Phys. (2013)]. C'est une sonde thermodynamique capable de résoudre avec une grande précision les transitions de phases, et qui est également sensible à un élément clé d'une transition de Mott : les anomalies dans la compressibilité électronique. Dans les métaux ordinaires la contribution électronique à la compressibilité est aussi importante que les autres mécanismes. A proximité d'une transition de Mott, cette contribution électronique devrait souffrir d'une forte réduction qui a déjà été détectée dans les supraconducteurs organiques bi-dimensionnels [D. Fournier, Phys. Rev. Lett. 90 127002 (2003)]. Durant ce projet de thèse l'étudiant utilisera des mesures de vitesse du son sur des monocristaux de grande qualité afin de mesurer la compressibilité électronique au travers du diagramme de phase des cuprates. Les mesures seront effectuées en champs magnétiques nuls, en champs statiques jusqu'à 36 T au LNCMI-Grenoble mais également en champs pulsés jusqu'à 70 T au LNCMI-Toulouse. En effet l'application de champs magnétiques intenses est nécessaire quand l'état normal des supraconducteurs veut être étudié à basses températures. L'étudiant sera impliqué dans chaque étape du projet: de la préparation des échantillons, aux mesures (électronique RF, cryogénie, logiciels), à l'analyse des données, jusqu'à la préparation des articles, dans un environnement de travail stimulant et au sein de collaborations internationales.

  • Titre traduit

    Sound velocity in the pseudogap phase of the high temperature superconducting cuprates


  • Résumé

    High temperature superconductivity embraces two aspects the human mind craves for: great technological potential and perhaps more importantly mystery. High-Tc superconductors are indeed part of a class of materials known collectively as strongly correlated materials that defy our understanding of how an assembly of electrons acts in a crystal lattice, exposing the limits of the standard model of solids that describes conventional solids like copper or silicon. In the high-Tc cuprate superconductors strong electronic correlations arise from the on-site Coulomb repulsion found the parent compound. How does this “Mottness”, this Coulomb repulsion affect the phase diagram of cuprates? How is it related to the conundrum arising in those systems, such as the strange metal? This is not established so far. Two main frameworks of conflicting theories exist to explain the phase diagram of cuprates. They differ in many aspects but a central point lies in the description of the mysterious pseudogap phase: is it a distinct phase of matter with a well-defined order parameter appearing at a phase transition, or is it a phase without any defined order parameter but yet strongly affected by vestigial interactions of the Mott insulating parent compound. The aim of this project is bring new information about the pseudogap regime by measuring sound velocity. Sound velocity has not only been poorly explored in this regime, but appears as a promising avenue [D. LeBoeuf, Nat. Phys. (2013)]. It is a thermodynamic probe able to resolve the most subtle phase transitions. and it is also sensitive to a key signature of the Mott transition: anomalies in the electronic compressibility. In ordinary metals the electronic bulk moduli is as important as other mechanism responsible for the resistance of the material to compression. In the vicinity to the Mott transition, this electronic contribution should suffer strong reduction that is detected in two-dimensional organic conductors [D. Fournier, Phys. Rev. Lett. 90 127002 (2003)]. During the thesis project the student will use sound velocity measurements on high quality single crystals in order to probe the electronic compressibility across the phase diagram of high-Tc cuprates. The measurements will be performed in zero magnetic field, static field up to 36 T at the LNCMI-Grenoble, and up to 70 T in the pulsed field facility of the LNCMI-Toulouse. Suppressing superconductivity with a high magnetic field is indeed required when the normal state must be studied at low enough temperatures. The student will be involved in every part of the project: from sample preparation, to measurements (RF electronics, cryogeny, software), data analysis and article preparation, working in the stimulating environment of a group and international collaborations.