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Depuis une dizaine d'années, plusieurs techniques expérimentales ont fourni des preuves irréfutables en faveur d'un état de la matière nouveau à l’intérieur de la maille élémentaire dans l'état de pseudo-gap des supraconducteurs à haute temperature critique à base de cuivre (cuprates) et des iridates, et plus récemment dans les cuprates échelles à montants [1]. Cet état brise les symétries d'inversion et de renversement du temps, mais préserve l'invariance par translation du réseau. Toutes ces observations expérimentales semblent être la signature d'un état magnéto-électrique, qui a la forme d'un ordre de boucles courants microscopiques [2] ou d'un ordre quadrupolaire [3]. Les boucles de courants sont liés à des moments toroïdaux (ou anapoles), similaires à ceux discutés dans différents composés multiferroïques. Récemment, en utilisant des techniques de diffraction de neutrons polarisés, nous avons révélé de nouvelles corrélations magnétiques qui permettent de doubler ou de quadrupler la maille élémentaire magnétique [4]. Les moments magnétiques sont principalement orientés perpendiculairement aux couches de CuO2, comme prévu pour les boucles de courants. Ce nouveau magnétisme, associé au magnétisme précédemment rapporté, produit une texture magnétique cachée.
Afin de mieux comprendre la nature intrinsèque de ce magnétisme exotique, nous proposons d'utiliser la technique de diffraction des rayons X résonnants polarisés (RXD). L'analyse de la polarisation est un outil puissant car elle permet une identification sélective des termes anapole et quadrupole. En effet, bien qu'associés à des ordres multipolaires, les boucles de courants et l'état quadrupolaire impliquent des distributions électroniques et des origines microscopiques très distinctes. Alors qu'une boucle de courant est délocalisée sur plusieurs atomes, un quadrupôle est seulement localisé sur le cuivre [3]. En plus des mesures RXD, la diffraction des neutrons polarisés sera utilisée pour étudier le diagramme de phase de plusieurs matériaux d'oxydes de cuivre qui incluent des supraconducteurs à haute température (YBa2Cu3O7-d, HgBa2CuO4+d, (Sr,Ca)14Cu24O41,CuO, etc). Les expériences RXD seront principalement menées sur la ligne de faisceau I16 de la Diamond Light Source (Royaume-Uni) et sur les lignes de faisceau ID32 et XMaS de l'ESRF. La diffraction des neutrons à l'Institut Laue Langevin (ILL) Grenoble.
Pour réaliser ce programme de recherche, nous proposons un programme de doctorat au Laboratoire Léon Brillouin (LLB-Saclay) en étroite collaboration avec le Laboratoire de la Physique du Solide (LPS-Orsay), tous deux localisés à l'Université Paris-Saclay.
References
[1] P. Bourges, D. Bounoua, Y. Sidis, C. R. Phys. 22, 1–25 https://doi.org/10.5802/crphys.84 (2021).
[2] C. Varma, Phys. Rev. B 73, 155113 (2006); M. S. Scheurer and S. Sachdev, Phys. Rev. B 98, 235126 (2018). S. Sarkar et al., Phys. Rev. B 100, 214519 (2019).
[3] M. Fechner et al., Phys. Rev. B 93, 174419 (2016); S. W. Lovesey and D. D. Khalyavin, J. Phys. Condens. Matter 29, 215603 (2017).
[4] D. Bounoua et al, accepté dans Comms. Phys. (2022),, https://arxiv.org/abs/2111.00525