focus - Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés

Les supraconducteurs à haute température critique, comme les cuprates, représentent toujours un défi pour la recherche, car ils échappent  à la description dite « conventionnelle » de la supraconductivité, fondée sur la théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer. A ce jour, il n’existe pas de théorie qui permette de comprendre et de quantifier complètement leurs propriétés et leurs phases. Une nouvelle famille de matériaux s’est récemment ajoutée à ces supraconducteurs, celle des pnictures de fer, qui apporterait des éléments  d’explication sur la supraconductivité à haute température critique. Des théoriciens de l’IMPMC, Michele CASULA notamment, ont mis à jour certaines propriétés de ces supraconducteurs. Des résultats publiés dans la revue Nature Physics .

Texte :

 Une propriété qui caractérise les supraconducteurs à haute température critique, est la forte répulsion (ou forte « corrélation ») entre les électrons. Dans les modèles théoriques sur réseau  cette interaction, représentée par le paramètre U d’Hubbard, repousse les électrons qui se trouvent sur le même site. Or, la détermination de sa valeur pour une description quantitative des matériaux à forte corrélation électronique est souvent très difficile. Un phénomène-clef qui intervient pour régler cette valeur est l’écrantage. La répulsion, au lieu d’être une affaire entre deux électrons seuls, est réduite par la présence dans le milieu cristallin des autres électrons, qui réagissent aux perturbations du système. Le processus d'écrantage est donc dynamique. Il se manifeste avec des effets remarquables comme les plasmons, ondes de charge qui écrantent, formant ainsi une sorte d’écran entre l'interaction.

Dans ce travail théorique, fruit d'une collaboration internationale, on étudie pour la première fois les effets dynamiques de l'écrantage sur les électrons corrélés dans le pnicture de fer BaFe2As2, un des matériaux les plus étudiés actuellement pour sa supraconductivité. Grâce à la théorie du champ moyen dynamique, on donne une interprétation claire aux signatures expérimentales des plasmons vus en photoémission, qui révèle l’énergie des états excités du système. On montre que les effets d’écrantage dynamique ne s’arrêtent pas seulement aux excitations, mais on découvre qu'ils affectent aussi les propriétés à basse énergie. A dopage optimal pour la supraconductivité et juste au-dessus de la température critique, on trouve que l'interaction écrantée induit un état paramagnétique caractérisé par des degrés de spin presque gelés, qui contribuent à une forte renormalisation de la masse des électrons et à un comportement  non-conventionnel, dit de « non liquide de Fermi ».

Ces résultats montrent comment les pnictures de fer sont très proches d’un régime fortement corrélé, ce qui expliquerait la supraconductivité non-conventionnelle. Ils montrent aussi comment le modèle théorique avec l’écrantage dynamique est capable d’expliquer et de quantifier plusieurs propriétés physiques. Cela ouvre la voie à une description plus réaliste des matériaux à forte corrélation électronique, avec des applications très importantes dans le domaine, comme l’étude du transport et des propriétés thermoélectriques.

1-“Satellites and large doping and temperature dependence of electronic properties in hole-doped BaFe2As2” Philipp Werner, Michele Casula, Takashi Miyake, Ferdi Aryasetiawan, Andrew J. Millis & Silke Biermann - Nature Physics (2012) doi:10.1038/nphys2250

2- Le réseau est défini par toutes les positions ioniques dans le cristal, contrairement à un continuum dans lequel les électrons circuleraient librement

Ci-dessus, diagramme de phase du BaFe2As2 élaboré d'après calculs théoriques. Les points sur le diagramme représentent les conditions de température et de dopage, prises en compte dans ce travail. La partie jaune du diagramme indique le comportement non conventionnel de la phase paramagnétique. On voit que la phase supraconductrice dopée en trous, se trouve très proche de la phase paramagnétique « non-conventionnelle ».

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