Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS

Bât. 563 CEA Saclay

91191 Gif sur Yvette Cedex

France

llb-sec@cea.fr

30 mai 2008
Observation dans les supraconducteurs à haute température critique d'un état électronique présentant des propriétés analogues à celles des cristaux liquides.
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V. Hinkov1, D. Haug1, B. Fauqué, P. Bourges2, Y. Sidis2 (CNRS), A. Ivanov3, C. Bernhard4, C. T. Lin1, B. Keimer1,
1Max Planck-Institut
2LLB CEA Saclay
3ILL (Institut Laue-Langevin)
4University of Fribourg, Switzerland

Lorsque l’on s’intéresse aux propriétés électroniques d’un matériau, il est communément admis que celles-ci doivent respecter les propriétés de symétrie liées à la structure de ce matériau. Par exemple, si l’on considère un système planaire pavé de carrées aux sommets desquels se trouvent les atomes qui fournissent les électrons de conduction, les propriétés électroniques de ce système doivent en principe être invariantes par rotation de 90°. Or, certains systèmes peuvent spontanément développer des propriétés électroniques qui brisent cette invariance par rotation sans aucun changement des propriétés structurales du système considéré. On parle alors de transition électronique nématique, par analogie avec les cristaux liquides pour lesquels à la transition nématique, il y a perte de l’invariance par rotation. De même que pour les cristaux liquides où cette phase peut être induite en appliquant un champ électrique, un état électronique nématique peut être obtenu en principe en appliquant une contrainte élastique (même faible) sur le système.

 

Vue en coupe de la strcuture d’une plaquette CuO2. Dans le composé YBa2Cu3O6.45, les liaisons Cu-O-Cu à 90° ont des longueurs sensiblement différentes (a < b).

Dans les oxydes de cuivre supraconducteurs à haute température, l’existence d’un état électronique nématique fait débat depuis longtemps. Ces matériaux sont constitués d’un empilement de plans CuO2, ce qui leur confère un fort caractère bidimensionnel. Ces plans sont pavés de plaquettes carrées aux sommets desquels se trouvent les atomes de cuivre séparés par des atomes d’oxygène. Les propriétés électroniques et magnétiques de ce système devraient en principe être invariantes par rotation de 90°. Ces matériaux pourraient toutefois développer une instabilité électronique nématique qui peut avoir deux origines distinctes : l’une dans l’espace réel, l’autre dans l’espace réciproque. Dans l’espace réel, les porteurs de charge pourraient se répartir de façon non uniforme dans les planes CuO2, formant des rubans où se concentrerait une forte densité de porteurs de charge séparant des régions pauvres en porteurs de charge. C’est ce que l’on appelle l’instabilité de type Stripes. Alternativement, lorsque l’on considère un système métallique, les électrons sont décrits comme des ondes de vecteur de propagation k et d’énergie Ek. Dans l’espace réciproque, les électrons occupent les états de plus basse énergie jusqu’à EF l’énergie de Fermi. La surface de Fermi, qui décrit une surface équi-énergétique à EF, peut devenir uniformément instable. Pour éviter cet état instable, la surface de Fermi peut spontanément se distordre et ne respecte plus les propriétés de symétrie du système. Dans les oxydes de cuivre supraconducteurs, que l’état électronique nématique soit lié à des stripes ou à une distorsion de la surface de Fermi, on s’attend à ce que les propriétés électroniques mesurées le long d’une liaison CuO et le long de celle à 90° de celle-ci ne soient plus équivalentes. Par ailleurs, les électrons portant un moment magnétique (spin), la perte de l’invariance par rotation doit également apparaître au travers des propriétés magnétiques.

 

B : carte en couleur montrant la distribution anisotrope des excitations magnétiques dans l’espace réciproque autour du vecteur d’onde planaire QAF caractérisant des excitations antiferromagnétiques. Les vecteurs d’onde planaires s’écrivent Q ≡ (H a*, K b*), avec a*=2π/a et b*=2π/b. Le vecteur d’onde antiferromagnétique est défini par QAF=((m+0.5)a*, (n+0.5)b*) (m,n entiers). Les excitations magnétiques sont mesurées à basse température pour une énergie de 3 meV. L’anisotropie des excitations magnétiques disparaît en chauffant ou en augmentant l’énergie.
C : transformation de la Figure B après restauration de la symétrie par rotation à 90°.

Cependant même en présence d’une instabilité électronique nématique, le système va développer une multitude de domaines qui sont tous identiques à une rotation à 90° près, en l’absence d’un axe directeur commun à tous ces domaines. Cet axe directeur peut être fixé en imposant une contrainte au système. Par exemple, en considérant des matériaux pour lesquels les plans CuO2 sont pavés de plaquettes rectangulaires presque carrées (distorsion orthorhombique d’un réseau quadratique), l’état électronique nématique va naturellement s’ancrer sur la faible anisotropie du réseau cristallin. Le composé supraconducteur YBa2Cu3O6+x présente ce type de petite déformation structurale et se trouve être de fait un bon candidat pour l’étude de l’existence d’une instabilité électronique nématique dans les oxydes de cuivre supraconducteurs à haute température critique.

Dans l’article de Science 319 (2008) 597, V. Hinkov et collaborateurs ont étudiés par diffusion inélastique des neutrons le spectre des excitations magnétiques dans le composé YBa2Cu3O6.45 qui devient supraconducteurs en dessous de ~35 Kelvin. Leur étude a permis de montrer que les excitations magnétiques de basse énergie ne sont plus invariantes par rotation à 90° en dessous de ~150 Kelvin. Cette anisotropie persiste dans l’état supraconducteur. A très basse température, les excitations magnétiques se ralentissent donnant naissance à un état magnétique quasi-statique qui préserve l’anisotropie des excitations magnétiques et coexiste avec l’état supraconducteur. L’anisotropie des propriétés magnétiques est en bon accord avec celle observée dans les mesures de transport électrique réalisées antérieurement dans des échantillons similaires par Ando et collaborateurs. L’observation de la perte d’invariance par rotation à 90° à une température bien au dessus de la température supraconductrice est interprétée comme la signature de l’établissement d’un état électronique nématique. Reste à savoir si cet état entre en compétition avec la supraconductivité et donc pourrait réduire la température critique supraconductrice ou au contraire favorise l’apparition de la supraconductivité et donc jouerait un rôle moteur dans le mécanisme microscopique qui conduit à l’établissement de la supraconductivité.

 

* Les mesures de diffusion inélastique des neutrons ont été réalisées sur des spectromètres 3-axes à haute flux de neutrons de l’Institut Laue-Langevin à Grenoble et du réacteur Orphée à Saclay. Ces travaux de recherches on été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le groupe de B. Keimer du Max-Planck-Institut de Stuttgart et le groupe de Ph. Bourges du Laboratoire Léon Brillouin, unité mixte CEA-CNRS, à Saclay.

Référence :

Electronic Liquid Crystal State in the High-Temperature Superconductor YBa2Cu3O6.45, V. Hinkov, D. Haug, B. Fauqué, P. Bourges, Y. Sidis, A. Ivanov, C. Bernhard, C. T. Lin, B. Keimer, Science, 319 (2008) 5863.

Brèves scientifiques du CNRS sur le sujet.

 

 

Maj : 08/03/2015 (1034)

 

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