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Pourquoi certains « mauvais métaux » deviennent-ils de « bons supraconducteurs » ?


De façon surprenante, les meilleurs supraconducteurs disponibles aujourd’hui sont souvent d’assez mauvais métaux dans leur phase métallique. Pour les physiciens, un « mauvais métal » est un objet complexe que les théories actuelles ne savent pas bien décrire. Nous avons utilisé la photoémission résolue en angle pour mettre en évidence certaines anomalies d’un de ces mauvais métaux, appartenant à la famille des supraconducteurs au fer, notamment la formation d’un « pseudogap » dans la structure électronique.

Dans les nouveaux supraconducteurs au fer, l’origine de la supraconductivité soulève encore de nombreuses questions. Il y a une grande proximité entre des phases supraconductrices et des phases magnétiques. Cette situation rappelle celle des cuprates et suggère qu’au lieu de détruire la supraconductivité, comme il le fait habituellement, le magnétisme peut aider dans certains cas à stabiliser la supraconductivité à des températures relativement élevées. Comprendre cela plus en détails pourrait permettre de créer de nouveaux supraconducteurs, peut-être à des températures encore plus élevées.

Pour avancer, il faut comprendre plus en détail la nature du magnétisme lui-même et le rôle des corrélations magnétiques dans l’état métallique. Dans les cuprates, le magnétisme se développe dans un environnement isolant où il y a un électron localisé sur chaque site de cuivre. Ils forment des moments magnétiques qui acquièrent un ordre antiferromagnétique. La répulsion de Coulomb entre électrons est si intense que cela coûterait trop d’énergie de mettre deux électrons sur le même site, si bien que le système choisit de les localiser (on appelle cet état un « isolant de Mott »). Dans les supraconducteurs au fer, la situation est assez différente. Le magnétisme se développe dans un environnement métallique et il y a six électrons par site. Mais certaines de ces phase sont de « mauvais métaux » ce qui veut dire qu’il est difficile pour les électrons de passer de site en site. Pourquoi de mauvais métaux deviendraient–ils de bons supraconducteurs, c’est-à-dire des conducteurs parfaits ? Cette contradiction apparente pourrait être au cœur de la formation de la supraconductivité à haute température.


Figure : (a) Images du nombre d’électrons détectés en fonction de l’énergie et du moment électronique k dans l’espace réciproque pour une bande du composé Fe1.06Te mesurées à différentes températures avec la photoémission résolue en angle (ARPES). (b) Spectres ARPES au moment de Fermi kF (le moment k où l’intensité est maximale à EF) pour différentes températures. La ligne fine est symétrisée par rapport au niveau de Fermi. Le maximum devrait être à EF pour un métal « normal », comme il l’est à 20 K. Aux autres températures, il se forme un « pseudogap ». (c) Valeur du pseudogap en fonction de la température.

 

Dans une étude récente, nous avons étudié un de ces mauvais métaux : Fe1.06Te. Nous avons imagé la structure électronique à l’aide de la photoémission résolue en angle sur la ligne CASSIOPEE du synchrotron SOLEIL, à la fois dans l’état métallique paramagnétique (c’est-à-dire magnétiquement désordonné, ce qui arrive pour les températures supérieures à 76 K) et dans la phase métallique ordonnée, au-dessous de 76 K. La figure montre l’évolution d’une bande électronique dans ce composé. Le niveau de Fermi (l’état occupé de plus haute énergie) est indiqué par la ligne blanche et l’intensité rouge correspond aux états occupés par des électrons. Normalement, on obtient un métal s’il y a des bandes qui coupent le niveau de Fermi, ce qui veut dire qu’elles sont partiellement occupé et permettent aux électrons de bouger. C’est le cas ici à basse température : à 20 K, dans la fig. a4, nous observons des électrons jusqu’au niveau de Fermi et le spectre en ce point (fig. b) fait apparaître une « marche de Fermi » caractéristique d’un métal. A haute température, l’intensité devient très faible près du niveau de Fermi et le pic s’en éloigne.

Cette situation peut être appelée « pseudogap » parce qu’elle est intermédiaire entre l’état attendu pour un métal (pas de gap) et celui d’un isolant (gap complet). Le fait qu’un meilleur état métallique soit retrouvé dans l’état magnétique démontre l’importance du désordre métallique dans la création du « mauvais métal ». L’idée est qu’il y a sur chaque site de fer une tendance à aligner les spins des électrons qui se trouvent dans différentes orbitales, créant ainsi un moment magnétique local. Dans la phase magnétique, ces moments s’ordonnent d’une façon permettant d’optimiser la conduction. Dans la phase paramagnétique, ces moments désordonnés interagissent avec les électrons de conduction et gênent leurs déplacements. Il y a donc au cœur de la phase métallique de fortes corrélations magnétiques, qui déterminent la nature de l’état métallique. Comment ceci finit par créer un pseudogap reste à comprendre en détails. Ce type de corrélations sont assez différentes de celles des cuprates, qui dépendent plutôt des interactions coulombiennes. D’un autre côté, la phase métallique des cuprates est connue pour être caractérisée par un « pseudogap ». Cet état reste un des plus mystérieux dans la physique à l’heure actuelle et nous ne savons pas encore si celui que nous venons de décrire dans les supraconducteurs lui est apparenté ou non.

 

Référence :

Nature of the Bad Metallic Behavior of Fe1.06Te Inferred from Its Evolution in the Magnetic State
P.-H. Lin, Y. Texier, A. Taleb-Ibrahimi, P. Le Fèvre, F. Bertran, E. Giannini, M. Grioni, and V. Brouet
Physical Review Letters 111, 217002 (2013).

Auteur correspondant : Véronique Brouet