Supraconducteurs à base de fer en champs magnétiques intenses

Iron based superconductors in high magnetic fields

• Auteur / Autrice : Loïc Doussoulin
• Direction : Thierry Klein, Mathieu Le Tacon, Frédéric Hardy, Christophe Marcenat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Karlsruher Institut für Technologie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Klaus Hasselbach
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jörg Schmalian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Pautrat, Amalia Coldea

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconducteurs à base de fer

Mots clés libres

FeSe

Diagramme de phases

Supraconductivité

Propriétés thermodynamique

FeSe

Thermodynamic properties

Superconductivity

Phase diagram

Résumé

Les supraconducteurs à base de fer sont une découverte récente dans l’histoire de la supraconductivité. Découvert il y a une dizaine d’année, leurs diagrammes de phase se rapprochent de certains matériaux comme les cuprates. Quand les cuprates montrent de manière schématique une phase isolant de Mott, une phase pseudogap et une phase supraconductrice, les supraconducteurs à base de fer montrent principalement trois transitions : une transition nématique, une transition magnétique et une transition supraconductrice. Cependant le composé le plus simple parmi les supraconducteurs à base de fer : FeSe, ne montre pas de phase magnétique à conditions ambiantes. Son énergie de Fermi faible laissent entrevoir la présence de fluctuations qui pourrait mener à l’observation de la fusion du réseau de vortex sur la totalité de son diagramme de phase et d’étudier les effets qui peuvent influencer la ligne du champ critique supérieur. Ceci sera présenter durant le premier chapitre de cette thèse. La chaleur spécifique a été choisi comme technique de mesure principale des échantillons. Deux techniques ont été utilisées : la Dual Slope Method et la calorimétrie alternative. Le dispositif de calorimétrie alternative permettant l’accès à des champs magnétiques intenses jusqu’à 35T, il donne l’occasion d’étudier le diagramme de phase complet de nos composés. C’est aussi une sonde particulièrement sensible aux transitions de phase, ce qui est l’objet de cette thèse. Dans le deuxième chapitre, j’exposerai donc les propriétés thermodynamiques intéressantes pour obtenir notre diagramme de phase ainsi que les différents dispositifs utilisés au cours de nos travaux. Le troisième chapitre expose les mesures faite au cours du doctorat ainsi que leurs analyses. Une première partie se focalise sur le composé pur FeSe. Nos données révèlent un excès de chaleur spécifique avant la transition supraconductrice attribué à la présence d’un transition entre un solide et un liquide de vortex. A l’aide d’une approche par loi d’échelle nous déduisons la ligne fictive du champ critique supérieur. La dépendance en température de ce champ trahit un effet important de brisure de paires de Cooper par effets paramagnétiques, principalement quand le champ magnétique est orienté le long de couches de FeSe. La fusion du réseau de vortex montre aussi qu’au delà de fluctuations thermiques, de possibles fluctuations quantiques pourraient être présentes. Enfin nous étudions la possible apparition d’une phase de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov. La deuxième partie de ce chapitre se concentre sur le composé dopé FeSe0:88S0:12. Une étude comparative de son diagramme de phase avec celui de FeSe y est menée, révélant une grande similarité entre les deux composés. De plus une nouvelle anomalie est détecté dans nos données de chaleur spécifique. Cette dernière est toujours en cours d’investigation.

Iron-based superconductors are a recent discovery in the history of superconductivity. Discovered about ten years ago, their phase doping-temperaturediagrams are close to some materials like cuprates. When cuprates showschematically a Mott insulator phase, a pseudogap phase and a superconductingphase, iron-based superconductors mainly show three transitions: anematic transition, a magnetic transition and a superconducting transition.However, the simplest of the iron-based superconductors, FeSe, does notshow a magnetic phase at ambient conditions. Its low Fermi energy suggeststhe presence of fluctuations that might lead to the observation of thevortex lattice melting over its entire phase diagram. This will be presentedin the first chapter of this thesis. Specific heat was chosen as the main measurement technique of our samples. Two techniques were used: the Dual Slope Method and alternative Calorimetry. The alternative calorimetry device allows access to high magnetic fields up to 35T and thus gives the opportunity to study the complete phase diagram of our compounds. It is also a particularly sensitive probe to phase transitions, which is the subject of this thesis. In the second chapter, I will present the thermodynamic properties of interest to obtain our phasediagram as well as the different set-ups used during our work. The third chapter presents the measurements made during the PhD and their analysis. A first part focuses on the pure FeSe compound. Our data reveal an excess of specific heat before the superconducting transition attributed to the presence of a transition between a solid and a vortex liquid. Using a scaling approach we deduce the fictitious upper critical field line. The temperature dependence of this field shows an important effect of Cooper pair breaking by paramagnetic effects, mainly when the magnetic field is oriented along FeSe layers. The melting of the vortex lattice also shows that beyond thermal fluctuations, possible quantum fluctuations could be present. Finally we study the possible appearance of a Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov phase. The second part of this chapter focuses on the FeSe(0,88)S(0,12) doped compound. A comparative study of its phase diagram with that of FeSe is conducted, revealing a great similarity between the two compounds. Moreover a new anomaly is detected in our specific heat data, which is still under investigation.