1 / 74

« Un gap peut en cacher un autre » Une exploration de la phase supraconductrice des cuprates

« Un gap peut en cacher un autre » Une exploration de la phase supraconductrice des cuprates par sonde Raman électronique. Mathieu Le Tacon - Travail de thèse effectué sous la direction d’Alain Sacuto - Matériaux et Phénomènes Quantiques - au Laboratoire de Physique du Solide - ESPCI.

holly
Télécharger la présentation

« Un gap peut en cacher un autre » Une exploration de la phase supraconductrice des cuprates

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. « Un gap peut en cacher un autre » Une exploration de la phase supraconductrice des cuprates par sonde Raman électronique Mathieu Le Tacon - Travail de thèse effectué sous la direction d’Alain Sacuto - Matériaux et Phénomènes Quantiques - au Laboratoire de Physique du Solide - ESPCI

  2. TC T < Tc Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Le phénomène de Supraconduction : 1911 (K. Onnes) Résistance (W) Annulation de la résistance électrique Température (K) T > Tc Diamagnétisme parfait (1933, Meissner-Ochsenfled ) H 1

  3. Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Le phénomène de Supraconduction : 1911 (K. Onnes) 2

  4. D ( ) ¢ 0 ¡ C k T B / e v dI/dV ~ n(E) C (mJ/mol deg) E (meV) Mesures spectroscopiques (Giaver, PR 1960) T(K) Mesures thermodynamiques (Philipps, PR 1959) Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 1957 : La théorie BCS (J. Bardeen, L. Cooper et R. Schrieffer) Supraconducteur : Nouvel état fondamental de la matière Surface de Fermi Etat lié : appariement des électrons (paires de Cooper) + Interaction attractive Prédiction clé : Existence d’un gap D a Tc dans les excitations électroniques 3

  5. D ( ) ¢ 0 ¡ C k T B / e v dI/dV ~ n(E) C (mJ/mol deg) E (meV) Mesures spectroscopiques (Giaver, PR 1960) T(K) Mesures thermodynamiques (Philipps, PR 1959) Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 1957 : La théorie BCS (J. Bardeen, L. Cooper et R. Schrieffer) • : énergie gagnée par électron lors de la condensation supraconductrice Energie à fournir pour briser une paire de Cooper : 2D 3

  6. Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Plan de l’exposé Quelques propriétés des cuprates supraconducteurs Notre sonde : la diffusion Raman électronique Principes Dispositif expérimental Influence du dopage sur la dynamique des quasiparticules dans l’état supraconducteur Nécessité de 2 échelles d’énergie pour décrire l’évolution du gap dans l’état supraconducteur des cuprates Effet des impuretés Gap supraconducteur et pseudogap 4

  7. Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Plan de l’exposé Quelques propriétés des cuprates supraconducteurs Notre sonde : la diffusion Raman électronique Principes Dispositif expérimental Influence du dopage sur la dynamique des quasiparticules dans l’état supraconducteur Nécessité de 2 échelles d’énergie pour décrire l’évolution du gap dans l’état supraconducteur des cuprates Effet des impuretés Gap supraconducteur et pseudogap 4

  8. Cuprates – Généralités Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Famille nombreuse : YBa2Cu3O6+x, Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+x (n =1,2 ou 3), La2-xSrxCuO4, etc…. Cu O Empilements de plans CuO2 Plans réservoirs de charge • Insertions (ex. O dans YBa2Cu3O6+x) • Substitutions cationiques • (La2+/Sr3+ dans La2-xSrxCuO4) Modification de la densité de porteurs de charge au sein des plans CuO2 = DOPAGE 5

  9. Diagrame de phase des Cuprates “dopés trous” TN TC Isolant de Mott Supraconducteur Gap de symétrie d Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Physique des électrons fortement corrélés + Basse dimensionnalité Optimalement dopé Sous dopé Sur dopé Tc record : 135 K HgBa2Ca2Cu3O8+d (165 K sous pression) Température 0 6 Dopage en trous des plans CuO2

  10. Diagrame de phase des Cuprates “dopés trous” TN TC TC Isolant de Mott Supraconducteur Gap de symetrie d Supraconducteur Gap de symétrie d Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 • Transport «marginal» : violation de Wiedemann-Franz, raba T • «Quasiparticules» très amorties Optimalement dopé Sous dopé Sur dopé « Métal » étrange Température 0 6 Dopage en trous des plans CuO2

  11. Diagrame de phase des Cuprates “dopés trous” Optimalement dopé Sur dopé TN « Métal » étrange TC Isolant de Mott Supraconducteur Gap de symétrie d Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 • «Gel» d’une partie des excitations de basse énergie • Renforcement des fluctuations magnétiques Sous dopé T* PseudoGap Température 0 6 Dopage en trous des plans CuO2

  12. Diagrame de phase des Cuprates “dopés trous” Tx TN TC Isolant de Mott Supraconducteur Gap de symétrie d Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 • Disparition des fluctuations magnétiques • Propriétés de transport « plus conventionnelles » Optimalement dopé Sous dopé Sur dopé T* « Métal » étrange Métal un peu moins étrange (Normal ?) PseudoGap Température ? 0 6 Dopage en trous des plans CuO2

  13. Diagrame de phase des Cuprates “dopés trous” Tx TN TC Isolant de Mott Supraconducteur Gap de symétrie d Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 But de ce travail : exploration de la phase supraconductrice 1- Faire varier le dopage (HgBa2CuO4+d = Hg-1201, Tcmax=95K) 2- Utiliser des impuretés (au dopage optimal, YBa2Cu3O7-d = Y-123) Optimalement dopé Sous dopé Sur dopé T* Température TC p = 0.18 p = 0.09 0 6 Dopage en trous des plans CuO2

  14. Diagrame de phase des Cuprates “dopés trous” Tx TN Isolant de Mott Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 But de ce travail : exploration de la phase supraconductrice 1- Faire varier le dopage (HgBa2CuO4+d , Hg-1201, Tcmax=95K) 2- Utiliser des impuretés (au dopage optimal, YBa2Cu3O7-d = Y-123) Optimalement dopé Sous dopé Sur dopé T* Température TC 0 6 Dopage en trous des plans CuO2

  15. Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Plan de l’exposé Quelques propriétés des cuprates supraconducteurs Notre sonde : la diffusion Raman électronique Principes Dispositif expérimental Influence du dopage sur la dynamique des quasiparticules dans l’état supraconducteur Nécessité de 2 échelles d’énergie pour décrire l’évolution du gap dans l’état supraconducteur des cuprates Effet des impuretés Gap supraconducteur et pseudogap

  16. Notre moyen d’investigation : La diffusion inélastique de la lumière (1928) ! Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Sir C.V. Raman (1888-1970) Prix Nobel 1930 Vibrations du réseau (phonons) Excitations magnétiques(magnons : J) Excitations électroniques (polarons, plasmons, gap) Diffusion Rayleigh (élastique) à w = 0 cm-1 ~106-8 plus intense que la diffusion Raman ! 7

  17. ~ ~ ~ ~ ~ ~ k k k ~ ~ ~ ~ ­ ­ ­ ¡ ¡ e ! q e = = S I I I I S I s ; ; ; ; pairee- / trou La diffusion Raman électronique Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 EI+ħWI Photon diffusé ES=EI+ħw EF Photon incident EI q = moment transferé au système = kS – kI (~ 107 m-1) << 2p/a, kF (~ 1010 m-1) c(w) : fonction réponse d’un «pseudo-opérateur densité » 8

  18. Sonder la dynamique des charges dans différentes régions de l’espace réciproque eI eS eS eI B2g A1g eI |gB2g| |gA1g| -p/a ky -p/a ky p/a -p/a ky eS p/a p/a p/a kx kx kx -p/a -p/a -p/a Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Vertex Raman : dépend de la polarisation des photons incidents et diffusés B1g |gB1g| 9

  19. 10mm Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Le Dispositif Expérimental CCD G1 G2 G3 s2 s3 s1 Analyseur (eS) L A S E R Doigt froid • Rotation des axes du cristal par rapport à la polarisation de la lumière Elargissement du faisceau Polariseur (eI) • Suppression de la diffusion Rayleigh • Mesure de l’intensité de la lumière diffusée en fonction du déplacement Raman 10

  20. Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Le Dispositif Experimental… en vrai périscope Détecteur (CCD) Écran de contrôle cryostat Monochromateur à prisme CCD L3 Cryostat L4 Monochromateur à Prisme LASER LASER D2 D1 L2 L1 Téléscope 11

  21. M.V.Klein, S.B.Dierker (84) T.P.Devereaux, D. Einzel (95) ~ ( ) Gap de symétrie s k ¢ ¢ = 0 e ~ ~ e * + 2 2 ( ) ( ) e k k ^ » ^ ^ ¢ ¢ i + + N ° ! ¿ ¿ ¿ 2 ~ ~ 0 3 1 ~ ^ B ¼ n k k F ( ) ( ) k G i 1 2 0 0 ( ) g g X R ~ ~ ~ ! ^ ^ = 2 £ ¤ ' 0 0  ! e ( ) ( ) ( ) ( ) j k ^ k ^ k n T I T G G ­ i i i e ; e ¡ B ¡ 2 2 p/a -p/a ky  ! m ° r ¿ ! ¿ ! q ( ) 2 e = » ( ) + ¢ i 3 3 1 2 ­ i i 0 + ¡ ¡ B B g g n n m ! ; ; ! ! ~ ! ( ) ( ) 1 2 1 2 m ( ) 2 2 ~ ~ g g g g n k ¢ 4 ¡ k k ! p/a ~ k F S ! n ; kx -p/a Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Réponse Raman théorique pour un supraconducteur 12

  22. p/a -p/a ky p/a kx -p/a ~ ( ) ( ) k Á ¢ ¢ 2 c o s = 0 ~ ~ * + 2 2 ( ) ( ) k k ¢ N ° 2 B ¼ F ( ) 1 2 0 0 ( ) g g R ' Â ! e B q ( ) 1 2 g g ! ~ ( ) 2 2 k ¢ 4 ¡ - ! F S + f Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Réponse Raman théorique pour un supraconducteur Gap de symétrie d Régions Anti-nodales Régions Nodales 13

  23. Réponses nodales et anti-nodales des cuprates optimalement dopés (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 T (~100 K) > Tc HgBa2CuO4+d YBa2Cu3O7-d B1g B2g 14

  24. Réponses nodales et anti-nodales des cuprates optimalement dopés (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 T (~100 K) > Tc T (~10 K) << Tc HgBa2CuO4+d YBa2Cu3O7-d B1g B2g 15

  25. Réponses nodales et anti-nodales des cuprates optimalement dopés (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Dc’’(w) = c’’(w, 10 K) - c’’(w, 100 K) HgBa2CuO4+d YBa2Cu3O7-d B1g wB1g wB1g B2g wB2g wB2g 16

  26. & ¢ 2 ´ ! ! B B 0 1 2 g g Compatible avec la symétrie d 1 échelle d’énergie contrôle la dynamique des quasiparticules dans l’état supraconducteur : D0 Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 wB1g, wB2get2D0dans les cuprates optimalement dopés Raman : X. K. Chen (92), L.V. Gasparov (97),M. Kang (96), T.Staufer (92), O. V. Misochko (99), S. L. Cooper (88), A. Sacuto (00), Y.Gallais (03) *STM 20  8.7 kBTc et ARPES: 8.5 kBTc Remarque : 2D0 >> 2DBCS = 4.28 kBTc 17

  27. Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Plan de l’exposé Quelques propriétés des cuprates supraconducteurs Notre sonde : la diffusion Raman électronique Principes Dispositif expérimental Influence du dopage sur la dynamique des quasiparticules dans l’état supraconducteur Nécessité de 2 échelles d’énergie pour décrire l’évolution du gap dans l’état supraconducteur des cuprates Effet des impuretés Gap supraconducteur et pseudogap

  28. TN TC Isolant de Mott Supraconducteur Gap de symétrie d Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Influence du dopage sur la dynamique des quasiparticules dans l’état supraconducteur HgBa2CuO4+d = Hg-1201 Tcmax=95K Dorothée Colson, SPEC (Saclay) Température Tc = 92 K p = 0.18 TC Tc = 63K p = 0.09 0 18 Dopage en trous des plans CuO2

  29. (p,0) (p,p) G Perte très rapide de la réponse Anti-nodale Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Evolution de la réponse anti-nodale avec le dopage Sur-dopé Tc = 92 K Hg-1201 Opt.-dopé Tc = 95 K B1g Sous-dopé Tc = 78 K 19

  30. Isolant AF (p,0) (p,p) sous-dopé G Optimalement dopé Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Evolution de la réponse anti-nodale avec le dopage Isolant AF sous-dopé optimalement dopé sur-dopé 20 Sugai et al., PRB 2003

  31. Hg-1201 Paire e-/ trou Barbiellini et Jarlborg, PRB 1994 Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 La diffusion Raman : effets de résonance EI+ħWI Lorsque ħWI ~ Transition interbande ES=EI+ħw EF EI Exaltation de la section efficace Raman ! 21

  32. (p,0) (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Effets de résonance dans Hg-1201 B1g • Pas de dépendance de l’énergie du pic avecl • Disparition des phonons aux grandes longueurs d’onde • Forte augmentation de la renormalisation à 647.1 nm !!! 22 Le Tacon et al., PRB 2005

  33. Evolution des réponses nodales et anti-nodales avec le dopage (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Sur-dopé Tc = 92 K B2g B1g Opt.-dopé Tc = 95 K lI = 514.52 nm lI = 647.1 nm Sous-dopé Tc = 63 K 23

  34. Evolution des réponses nodales et anti-nodales avec le dopage (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Sur-dopé Tc = 92 K B2g B1g Opt.-dopé Tc = 95 K lI = 514.52 nm lI = 647.1 nm Sous-dopé Tc = 63 K 23

  35. 2 échelles d’énergie dans l’état supraconducteur des cuprates sous dopés Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 AntiNoeuds Noeuds wNaTc/Tcmax =1 - 82.6 (p - 0.16)2 24

  36. 2 échelles d’énergie dans l’état supraconducteur des cuprates sous dopés Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 Données des groupes de R. Hackl et S. Sugai AntiNoeuds Noeuds wNaTc/Tcmax =1 - 82.6 (p - 0.16)2 24

  37. 2 échelles d’énergie dans l’état supraconducteur des cuprates sous dopés Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 STM Surdopé AntiNoeuds Sousdopé Jonctions brisées Surdopé Noeuds wNaTc/Tcmax =1 - 82.6 (p - 0.16)2 Sousdopé Renner et al., PRL 98 Miyakawa et al., PRL 98 Zasadzinski et al., PRL 01, etc… 24

  38. 2 échelles d’énergie dans l’état supraconducteur des cuprates sous dopés Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 ARPES Campuzano et al., PRL99 Ding et al., PRL01 … AntiNoeuds Noeuds wNaTc/Tcmax =1 - 82.6 (p - 0.16)2 24

  39. 2 échelles d’énergie dans l’état supraconducteur des cuprates sous dopés Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 échelles d’énergie 1 échelle d’énergie BILAN Bonne correspondance Raman, ARPES et tunnel aux anti-noeuds Dm augmente et l’amplitude du pic de cohérence diminue quand p diminue AntiNoeuds Noeuds L’énergie caractéristique wN de la réponse nodale suit Tc wNaTc/Tcmax =1 - 82.6 (p - 0.16)2 24 Le Tacon et al., Nature Physics 2006

  40. Description BCS de la phase supraconductrice (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 avec 25

  41. Description BCS de la phase supraconductrice (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 avec 25

  42. Description BCS de la phase supraconductrice (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 avec 25

  43. Description BCS de la phase supraconductrice (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G , Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 avec 25

  44. Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 hypothèses à revoir : - Simple forme cos(2f) pour le gap • Quasiparticules BCS sans interactions 26

  45. ARPES dans Bi-2212 FT-STM (Bi-2212) Borisenko et al. PRB 2002 McElroy et al., Nature 2003 Mesot et al. PRL 1999 Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 hypothèses à revoir : - Simple forme cos(2f) pour le gap • Quasiparticules BCS sans interactions

  46. (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 hypothèses à revoir : - Simple forme cos(2f) pour le gap • Quasiparticules BCS sans interactions 27

  47. (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 hypothèses à revoir : - Simple forme cos(2f) pour le gap • Quasiparticules BCS sans interactions 27

  48. (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 hypothèses à revoir : - Simple forme cos(2f) pour le gap • Quasiparticules BCS sans interactions 27

  49. (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 hypothèses à revoir : - Simple forme cos(2f) pour le gap • Quasiparticules BCS sans interactions 27

  50. (p,0) (p,p) (p,0) G (p,p) G Soutenance de thèse – Paris, le 13 Novembre 2006 2 hypothèses à revoir : - Simple forme cos(2f) pour le gap • Quasiparticules BCS sans interactions Bilan : Le B1g ne perd pas son intensité suffisamment rapidement Le B2g s’élargit mais ne se déplace pas vraiment INSUFFISANT ! 27

More Related