La compréhension du mécanisme à la base de la supraconductivité à haute température dite non conventionnelle constitue un des défis scientifiques les plus ardus. Aujourd’hui, la voie la plus consensuelle suggère que l’appariement des paires de Cooper trouve son origine dans les fluctuations magnétiques de phases voisines. Le mécanisme exact reste cependant à élucider. Afin de relever ce défi, l’étude de matériaux de dimension réduite et de structure simple est un premier pas essentiel car il permet une modélisation théorique facilitée. Des chercheurs du Laboratoire de Physique du Solide en collaboration avec des collègues du Laboratoire Léon Brillouin, de l’Institut Laue Langevin, de l’Institut Néel et du Service de Physique de l’Etat Condensé ont fait un pas en avant dans cette direction en étudiant l’ordre magnétique à la frontière de la phase supraconductrice dans les échelles de spin des pnictures BaFe2X3 (X=Se, S).
La physique des supraconducteurs a été révolutionnée par la découverte des cuprates supraconducteurs au milieu des années 80. En effet, les températures critiques record obtenues sur ces composés ont nécessité le développement d’un nouveau modèle théorique. Les paires de Cooper, la brique élémentaire de la supraconductivité, restent conservées mais le mécanisme d’appariement de ces électrons ne peut plus être basé sur le couplage électron-phonon de la théorie BCS standard. Dans ce nouveau modèle, le magnétisme semble jouer un rôle central. En effet, tous ces composés bidimensionnels développent la supraconductivité au voisinage d’une phase magnétique. Une deuxième révolution a eu lieu en 2006, avec la découverte de la supraconductivité dans des composés à base de fer : l’âge du cuivre cède la place à l’âge du fer. Ces derniers composés présentent de très fortes similitudes avec leurs cousins cuprates : une structure bidimensionnelle, une phase magnétique au voisinage de la supraconductivité et un accès à la phase supraconductrice par dopage de charge. C’est confirmé : le magnétisme est essentiel pour obtenir de la supraconductivité à haute température.
Un nouveau rebondissement s’opère en 2015, la supraconductivité est découverte sous pression dans deux familles de composés quasi-unidimensionnels à base de fer : BaFe2S3 etBaFe2Se3. Si la phase supraconductrice semble avoir un comportement similaire dans ces deux composés parents, la phase magnétique, et en particulier les symétries de l’ordre magnétique diffèrent fortement tout au moins à pression ambiante. Dans les deux composés, les atomes de fer forment des échelles. Dans le composé au soufre, on observe une structure magnétique en bande avec des spins alignés ferromagnétiquement sur chaque échelon de l’échelle, et qui changent de sens d’un échelon à l’autre (figure du centre, haut). Le vecteur de propagation magnétique est k=(1/2,0,1/2). Dans le composé du sélénium, les moments magnétiques forment des blocs de 4 spins couplés ferromagnétiquement avec alternance du sens des spins d’un bloc à l’autre le long de l’échelle (k=(1/2,1/2,1/2), figure du centre en bas). Cela signifie que les fluctuations magnétiques potentiellement responsables de l’appariement des paires de Cooper sont différentes d’un composé à l’autre avec pourtant une phase supraconductrice très similaire. Nos mesures de diffraction de neutrons sous pression à basse température (3 K) sur une poudre de BaFe2Se3 ont permis de résoudre ce dilemme. En effet, nous montrons que dans BaFe2Se3, la phase magnétique en bloc disparaît vers 3 GPa pour laisser place au même ordre en bande que dans BaFe2S3. Cette phase universelle demeure au moins jusqu’à 8 GPa, au voisinage de la phase supraconductrice. Les fluctuations magnétiques associées semblent être un prérequis pour la stabilisation de la phase supraconductrice.
Figure. (de gauche à droite) Résultat de diffraction de neutrons sur poudre de BaFe2Se3 à basse température pour différentes pressions ; structure magnétique des échelles à basse (bas) et haute pression (haut) ; diagramme de phases (P,T) du composé BaFe2Se3.
Référence
Universal stripe order as a precursor of the superconducting phase in pressurized BaFe2Se3 Spin Ladder
WG. Zheng, V. Balédent, C.V. Colin, F. Damay, JP. Rueff, A. Forget, D. Colson, P. Foury-Leylekian
Communications Physics 5, 1-6 (2022)
DOI: 10.1038/s42005-022-00955-7
