Supraconducteurs à base de Fer sous champs magnétiques intenses

par Loïc Doussoulin

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

Sous la direction de Thierry Klein, Matthieu Le Tacon et de Christophe Marcenat.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université de Karlsruhe , dans le cadre de École doctorale physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) et de Matière Condensée, Matériaux et Fonctions (equipe de recherche) depuis le 05-10-2018 .


  • Résumé

    FeSe est le supraconducteur à base de fer «le plus simple», composé uniquement d'un empilement de couches de FeSe sans aucun réservoir de charge, mais il présente néanmoins plusieurs propriétés intrigantes. Tout d'abord, sa température de Fermi est extrêmement faible (étant de l'ordre du gap supraconducteur) et ce semi-métal «dilué» peut donc être considéré comme un supraconducteur à température critique très élevée (Tc ~ 9K malgré sa très faible densité d'états). On a même observé des monocouches déposées sur SrTiO3 au-dessus de 100 K et il a été montré récemment que la température critique peut être augmentée jusqu'à ~ 50 K par effet de champ ou pression hydrostatique. Par ailleurs, comme dans la plupart des matériaux non conventionnels, la supraconductivité entre en compétition avec une autre instabilité électronique et plusieurs mesures suggèrent que cette phase concurrente pourrait être un état «exotique» de charge associé à une nématicité orbitale. Finalement, des cristaux de très haute qualité peuvent être obtenus et ce système offre la possibilité d'étudier pour la première fois la fusion de la matière du vortex jusqu'aux températures les plus basses. Elucider le mystère du mécanisme conduisant à ce nouveau type de supraconductivité est un problème très complexe. Dans ce projet, nous prévoyons donc d'étudier en détail les propriétés normales et supraconductrices de monocristaux de haute qualité FeSe (et FeSe1-xSx) en fonction du champ magnétique, de la pression hydrostatique et de la pureté de l'échantillon, en utilisant deux mesures thermodynamiques complémentaires: expansion thermique (à Karlsruhe) et chaleur spécifique (à Grenoble). Ce projet expérimental devrait contribuer à dévoiler le mécanisme conduisant à une supraconductivité non conventionnelle à haute température dans un semi-métal très dilué et à apporter des améliorations instrumentales majeures à ces sondes thermodynamiques, dans des conditions extrêmes de température (jusqu'à 0,3 K). champs magnétiques (jusqu'à 35T)

  • Titre traduit

    Iron based superconductors in high magnetic fields


  • Résumé

    FeSe is the “simplest” iron based superconductor, composed only of a stacking of FeSe layers without any charge reservoir but still it presents several intriguing properties. First, its Fermi temperature is extremely small (being on the order of the superconducting gap) and this “dilute” semi-metal can hence be considered as a very high critical temperature superconductor (Tc ~ 9K despite its very small density of states) Superconductivity above 100 K has even been observed in monolayers deposited on SrTiO3 and it has recently been shown that the critical temperature of bulk samples can also be risen up to ~ 50K by ionic liquid gating or hydrostatic pressure. Second, as in most of the unconventional materials, superconductivity competes with another electronic instability and several measurements here suggested that this competing phase could be an “exotic” charge ordered state associated with orbital driven nematicity. Third, very high-quality crystals can be obtained and this system presents the opportunity to study for the first time the melting of the vortex matter down to the lowest temperatures. Unraveling the mystery of the mechanism leading to this new type of superconductivity is a very challenging issue. In this project, we hence plan to perform a detailed study of the normal and superconducting properties of FeSe (and FeSe1-xSx) high quality single crystals as a function of magnetic field, hydrostatic pressure and sample purity, using two complementary thermodynamic measurements: dilatometry/thermal expansion (in Karlsruhe) and specific heat (in Grenoble). This experimental project is expected to both contribute to unveil the mechanism leading to unconventional – high temperature - superconductivity in a very dilute semi-metal and lead to major instrumental improvements in those thermodynamic probes, in extreme conditions of temperature (down to 0.3K) and magnetic fields (up to 35T)