Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS

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France

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29 septembre 2015
Un faisceau de neutrons polarisés pour détecter les boucles de courant nanométriques dans un supraconducteur

Après 30 années d'efforts de recherche, l'origine de la supraconductivité à haute température reste un des grands défis d'aujourd'hui en physique du solide. Les supraconducteurs à haute température sont plutôt de mauvais conducteurs électriques à la température ambiante. Refroidis, et avant de devenir supraconducteurs, ils forment une "phase pseudogap", où la conduction électrique est assez particulière, et orientée selon des directions préférentielles. En dessous de la température critique, facilement accessible à l'aide d'azote liquide, la résistivité électrique du matériau dans son ensemble s'annule et le matériau est supraconducteur.

La présente étude par diffusion de neutrons polarisés, réalisée par une collaboration de chercheurs du LLB et de l'ILL, publiée dans Nature Communications, apporte des informations complètes et  consistantes sur les propriétés de la phase pseudogap dans le composé YBa2Cu3O6.85, de composition proche du dopage optimal, correspondant au maximum de température critique pour la phase supraconductrice.

 

Diagramme de phase Température-Dopage en trous pour les composés YBa2Cu3Ox. AF : phase antiferromagnétique, PG : pseudogap, SC : supraconducteur.

Un consensus est en train de naitre sur le fait que les clés essentielles pour comprendre la supraconductivité à haute température peuvent être trouvées dans l'étude de la phase pseudogap associée. Une idée récemment mise en avant par divers modèles théoriques suggère que des boucles nanomètriques de courant électriques se forment dans la phase pseudogap, sous la forme de micro-circuits de seulement trois atomes en taille, ces boucles de courant apportant à cette phase ses propriétés remarquables.  La tâche actuelle des expérimentateurs est de caractériser les propriétés prédites par ces modèles intrigants.

Un premier indice simple de la présence de boucles de courant serait de mettre en évidence le champ magnétique qu'elles génèrent. Le modèle prévoit en fait l'existence dans chaque maille élémentaire de deux boucles de courant de sens opposé, produisant deux moments magnétiques antiparallèles. Cependant la taille atomique des boucles fait que les champs sont très faibles. Pour cette mesure, la diffusion de neutrons polarisés en spin est l'outil suffisamment sensible idéal : la  longueur d'onde de De Broglie associée est de taille atomique, et leur spin les rend sensibles au magnétisme, comme de minuscules aiguilles de boussole.

Les premières mesures de ce type montrent bien la présence de moments magnétiques au sein de l'état pseudogap des supraconducteurs à haute température (B. Fauque et al Physical Review Letters 2006). Cependant, après cette première preuve positive, de nombreuses questions demeurent sur cet ordre magnétique :

  • Quel est l'orientation  exacte des moments magnétiques ?
  • Si ces moments magnétiques sont créés par des courants de boucle, alors ils doivent leur être perpendiculaire. Quelle est la taille de ces boucles?
  • Existe-t-il des corrélations entre les boucles de courant ?
  • Quelle est l'influence du désordre sur les propriétés du matériau ?
 

Représentation schématique de l'évolution en température du moment magnétique, déduite des mesures de neutrons polarisés sur D7. Le moment magnétique pointe perpendiculairement aux boucles de courant à haute température (à partir de 300 K) puis augmente quand la température diminue. A basse température (100 K), apparait une composante dans le plan, inclinant le moment résultant. Ces mesures sont effectuées dans l'état normal au dessus de la température de supraconductivité.

Dans une publication dans la revue Nature Communications (2015), une collaboration de chercheurs du Laboratoire Léon Brillouin et de l'Institut Laue langevin donne un ensemble de réponses complètes à ces ensemble de questions. Ces résultats ont pu être obtenus par diffraction de neutrons polarisés sur le composé YBa2Cu3O6.85. En effet, des signaux magnétiques de plus de 3 ordres de grandeur plus faible que la partie nucléaire dominante, peuvent être mesurés sur les instruments 4F1 (LLB) et D7 (ILL). Ces mesures ont ainsi permis de déterminer avec précision non seulement l'ampleur des très faibles moments magnétiques, mais aussi leur orientation et leurs propriétés de corrélation spatiale. De plus, l'ensemble de ces propriétés ont pu être suivies en température.

Ces résultats confortent ainsi les modèles qui tentent de décrire la physique de la phase pseudo-gap des supra conducteurs à haute température En particulier, ils apportent une bien meilleure idée de la forme des boucles de courant prédites par ces modèles.

Ces excellents résultats démontrent les capacités uniques (sensibilité, mesures magnétiques) de la diffusion de neutrons polarisés. De tels résultats justifient la place centrale donnée aux dispositifs polarisés en spin, dans le programme de modernisation "Endurance" de l'ILL dont la ligne D7 fait partie. Une fois ces améliorations apportées, la nouvelle ligne de neutrons polarisés D7 permettra de réaliser ce type d'expérience, avec une sensibilité accrue. De la même manière,  le diffractomètre à neutrons polarisés MAGIC construit par le LLB et prévu après 2020 sur la future source européenne de neutrons, ESS à Lund (Suède), permettra d'approfondir ce nouveau concept de boucles de courants. 


Références :

- Intra-unit-cell magnetic correlations near optimal doping in YBa2Cu3O6.85
L. Mangin-Thro, Y. Sidis, A. Wildes & P. Bourges,
Nature Communications 6, Article number: 7705.

- Communiqué de l'ILL

 

Contact LLB : Yvan Sidis et Philippe Bourges.

Collaboration :

 

Maj : 23/10/2015 (2534)

 

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