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- Membre permanent : Yves Noat
Physique des cuprates supraconducteurs
Depuis 1986, date de leur découverte par Bednortz et Müller, les cuprates supraconducteurs continuent de passionner et de questionner les physiciens. Notre groupe a été un des premiers, dans les années 90, à mesurer le spectre d’excitation des quasiparticules de ces matériaux. Ces mesures ont révélé des signatures tout à fait non conventionnelles telles que la présence d’un pseudogap à basse température en présence de désordre ou encore le fameux “peak-dip-hump” dans les spectres tunnel.
On peut résumer les principales caractéristiques des cuprates sous cette forme :
- Composés parents (non dopés) isolants antiferromagnétiques,
- Hautes températures critiques,
- La courbe de la température critique Tc en fonction du dopage forme un dôme (le dôme supraconducteur),
- Existence d’une phase pseudo-gap au-delà de Tc et au cœur des vortex,
- Très faible longueur de cohérence.
Plusieurs questions fondamentales doivent encore être résolues pour aboutir à une compréhension de la physique dans ces composés :
- Comment se forment les paires de Cooper dans ces systèmes ?
- Quelle est la nature de la condensation supraconductrice ?
- Quel est la relation entre l’état supraconducteur et la phase pseudo-gap ?
En étroite collaboration avec deux chercheurs de l’IMPMC (Sorbonne Université/CNRS/MNHN), William Sacks et Alain Mauger, nous avons récemment proposé un modèle théorique afin d’expliquer de façon cohérente la supraconductivité dans les cuprates.
Les points clefs du modèle sont :
- La formation de paires de trous, ou « pairons » qui se lient dans leur environnement antiférromagnétique local [1].
Figure 1 : Paires de trous liées, ou « pairons » dans leur environnement antiferromagnétique local.
L’état supraconducteur se forme par le biais de l’interaction entre paires, dont l’énergie est directement reliée à la température critique Tc [2].
Existence de deux échelles d’énergie: l’énergie d’appariement ou gap Δp qui décroit linéairement avec le dopage, et l’énergie d’interaction entre paires βc qui suit le dôme supraconducteur. La première échelle est reliée à la température du pseudogap T*, tandis que la seconde est proportionnelle à la température critique Tc [2].
Coexistence de deux types d’excitations : des excitations de paires de type bosonique, répondant à la statistique de Bose-Eintein et des excitations de quasiparticules de type fermioniques [3].
Figure 2 : Diagramme de phase du modèle en fonction du dopage. Dans l’état supraconducteur, les pairons sont condensés tandis qu’ils sont incohérents dans la phase pseudogap, dont la température caractéristique est T*. Le dôme supraconducteur suit l’interaction entre pairons qui est proportionnelle à la température critique Tc.
Le modèle permet de décrire :
- le spectre d’excitation tunnel en fonction de la température, pour les différents dopages [1,2],
- les mesures ARPES et notamment l’apparition des arcs de Fermi [3],
- les variations du gap en fonction de l’angle du vecteur d’onde dans l’espace réciproque (gap nodal vs gap antinodal) [4],
- et enfin les mesures thermodynamiques [5].
L’étape suivante consiste à confronter le modèle à la description des propriétés magnétiques et des propriétés de transport électronique : ce sera l’objet de nos prochains travaux.
Principales collaborations
William Sacks et Alain Mauger, IMPMC (Sorbonne Université)
Publications récentes
[1] W. Sacks, A. Mauger, Y. Noat. Cooper pairs without glue in high-Tc superconductors: a universal phase diagram. Europhys. Lett. 119 17001 (2017). https://doi.org/10.1209/0295-5075/119/17001
[2 ] W. Sacks, A. Mauger, Y. Noat, Pair–pair interactions as a mechanism for high-Tc superconductivity, Supercond. Sci. Technol. 28 105014 (2015). https://doi.org/10.1088/0953-2048/28/10/105014
[3] W. Sacks, A. Mauger, Y. Noat, Origin of the Fermi arcs in cuprates: a dual role of quasiparticle and pair excitations, J. Phys. Condens. Matter 30 (2018) 475703. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aae7af
[4] Y. Noat, A. Mauger, W. Sacks, Single origin of the nodal and antinodal gaps in cuprates, Europhys. Lett. 126 67001 (2019). https://doi.org/10.1209/0295-5075/126/67001
[5] Y. Noat, A. Mauger, M. Nohara, H. Eisaki, W. Sacks, How ‘pairons’ are revealed in the electronic specific heat of cuprates, Solid State Communications, Volume 323, 114109 (2021) https://doi.org/10.1016/j.ssc.2020.114109
