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Comment les interactions modifient le nombre d’électrons dans les supraconducteurs au fer.


En 2008, une nouvelle famille de supraconducteurs a été découverte, basée sur des plans carré de fer. Elle a attiré l’attention de nombreux physiciens parce que la supraconductivité a lieu jusqu’à des températures assez élevées (56K), ce qui était très inattendu d’un point de vue théorique. Cette découverte pose des questions fondamentales sur la nature microscopique de la supraconductivité et en particulier sur les liens entre supraconductivité et magnétisme. Des analogies ont immédiatement été proposées avec l’autre grande famille de supraconducteurs à haute température, les cuprates. Dans ces systèmes, la supraconductivité (jusqu’à 150K !), découverte il y a 20 ans, n’est toujours pas bien décrite d’un point de vue théorique. La complexité du problème vient notamment de ce que les électrons interagissent fortement les uns avec les autres – on dit qu’ils sont corrélés – ce qui est difficile à décrire théoriquement. Le rôle et la nature des corrélations dans les supraconducteurs au fer sont naturellement devenus un des points clés dans ces études.

 

Une des différences essentielles entre les 2 familles est que, dans les cuprates, il y a un électron par site qui occupe une bande (chaque « bande » d’un métal peut être occupée par deux électrons et possède des propriétés caractéristiques). Les corrélations se manifestent en rendant difficile pour un électron de sauter sur le site voisin s’il est déjà occupé. Dans les supraconducteurs au fer, il y a 6 électrons par site, qui se répartissent entre 5 bandes différentes. Chacun de ces électrons a des propriétés légèrement différentes selon la bande où il se trouve. La façon dont ils interagissent tous ensemble s’est vite révélé être un des points très intéressants dans l’étude de ces nouveaux matériaux.

 

Sur l’expérience CASSIOPEE en utilisant la lumière du synchrotron SOLEIL, nous étudions ces solides depuis 5 ans par photoémission résolue en angle. Cette technique permet de regarder chacun de ces « types » d’électrons différents et la façon dont ils se déplacent dans le métal. Récemment nous avons observé une forme de corrélations originales qui est directement liée à l’existence de ces différents « types » d’électrons.

 

La figure 1a représente la dispersion en énergie de 3 de ces bandes. Seuls les états sous le niveau de Fermi EF (zones grisées) sont occupés par des électrons. Dans les cas habituels, pour des solides avec une seule bande, comme le cuivre, la position de cette bande par rapport au niveau de Fermi est strictement fixée par le nombre total d’électron. Ici, on peut en principe bouger les bandes comme indiqué sur la figure tout en conservant le nombre total d’électrons. Nous avons mis en évidence que de tels mouvements se produisent effectivement et qu’ils changent fortement en fonction des propriétés du matériau (contrôlées ici par la composition chimique, via la teneur en Cobalt, voir Fig. 1b) et de la température (Fig. 1c). Du coup, le nombre d’électrons qui est typiquement indépendant de la température dans un métal usuel, varie ici d’un facteur 2 entre basse et haute température dans la zone la plus « corrélée » où se trouvent magnétisme et supraconductivité !

 

La nature des corrélations à l’origine de ces déplacements de bandes est encore mal comprise. Elles pourraient traduire la présence de fortes fluctuations magnétiques (voir Ortenzi et al. PRL 103, 046404 (2009)). Ces données sur leur évolution en température et dopage devraient permettre de mieux les modéliser.

 

(a) Schéma des différentes bandes des supraconducteurs au Fe pour une direction « ΓX » de l’espace réciproque. Les zones grisées représentent les parties occupées de la structure électronique, il y a donc des « trous » autour de Γ et des « électrons » en X. Les flèches indiquent des mouvements de bandes qui conservent le nombre d’électrons total (en suivant ces flèches, il y aura à la fois moins de trous en Γ et moins d’électrons en X). (b) Diagramme de phase des composés Ba(Fe1-xCox)2As2 qui permettent de passer d’une phase magnétique (AF) à une phase supraconductrice (SC) à un métal « normal ». Le nombre d’électrons en X déterminé par ARPES à basse température est représenté par des symboles. A bas dopage, il est nettement moins important que dans le calcul (trait noir), ce qui implique des mouvements de bandes comme ceux indiqués en (a). (c) Variation du nombre d’électrons en X en fonction de la température pour différents taux x de Co.

 

Référence :

Large temperature dependence of the number of carriers in Co-doped BaFe2As2” V. Brouet, Ping-Hui Lin, Y. Texier, J. Bobroff, A. Taleb-Ibrahimi, P. Le Fèvre, F. Bertran, M. Casula, P. Werner, S. Biermann, F. Rullier-Albenque, A. Forget, and D. Colson, Physical Review Letters 110, 167002 (2013)

 

Contact :

 

Véronique Brouet : (veronique.brouet@u-psud.fr)