F .Onufrieva , P. Pfeuty, Laboratoire Léon Brillouin
L’appariement supraconducteur et les anomalies électroniques induites par le mode collectif de spin dans les cuprates supraconducteurs à haute Tc
Découverte en 1986, la supraconductivité à haute température critique reste aujourd’hui une des grandes énigmes de la physique du solide et des matériaux. Plusieurs modèles théoriques s’affrontent, régulièrement confrontés aux résultats expérimentaux. Parmi les théories possibles, celles faisant intervenir le magnétisme dans le couplage des électrons pour former les paires supraconductrices sont aujourd’hui souvent retenues (au lieu du couplage entre électrons et phonons pour les supraconducteurs conventionnels relevant de la théorie BCS – J. Bardeen, L. Cooper et R. Schrieffer). En particulier, les excitations magnétiques sous la forme d’ondes de fluctuations de spin, observées expérimentalement dans certains supraconducteurs (cuprates supraconducteurs à haute Tc : YBa2Cu3O6+x, mais aussi les nouveaux supraconducteurs non conventionnels à base de fer et d’arsenic, Tc~40 K), pourraient être retenues, comme le montre la théorie développé ci-dessous.
Ce travail fait partie d’un projet théorique qui vise à comprendre le mécanisme de la supraconductivité dans les cuprates supraconducteurs à haute Tc. Dans l’article récent [1] nous avons étudié le rôle des fluctuations de spin et notamment du mode collectif pour l’appariement supraconducteur et les anomalies électroniques, nombreuses à être observées dans les cuprates. Ce mode fortement lié aux électrons (qui se développe à proximité du vecteur d’onde antiferromagnétique avec une dispersion anormale) a été prédit théoriquement [2] et plus tard observé par diffusion de neutrons [3], Fig.1. La théorie microscopique [1] est basée sur une approche dynamique de type couplage fort. Les équations finales sont des équations intégrales pour les fonctions de corrélations électroniques. Elles permettent de décrire toutes les propriétés électroniques. Dans [1] nous avons analysé les propriétés supraconductrices ainsi que les propriétés des électrons dit normaux pour lesquels des anomalies importantes ont été observées par photoémission et par effet tunnel.
On a trouvé que les propriétés de l’état supraconducteur induit par ce mode de spin sont très proches de celles observées dans les cuprates : Le paramètre d’ordre supraconducteur change de signe dans la zone de Brillouin alors que la dépendance angulaire du gap supraconducteur présente une forme anormale très proche de celle observée par photoémission, Fig.2 (effet jusque là non expliqué). La valeur du gap maximal est haute (haute Tc). Le spectre électronique théorique est proche du spectre observé par photoémission, notamment le « spectre nodal » (spectre dans la partie de la zone de Brillouin où le gap s’annule) présente un « kink » [Le problème du « kink nodal » est un problème « chaud » dans le domaine car son énergie Ωkink représente l’échelle d’énergie la plus basse dans les propriétés électroniques]. Non seulement la forme du spectre théorique est très proche de celle dans l’expérience (Fig.2), mais la relation entre Ωkink et l’énergie caractéristique du mode collectif ωr. Ωkink = -2ωr, obtenue en [1], correspond aux deux mesures indépendantes (photoémission et neutron) avec une bonne précision, Ωkink = 66 meV, ωr = 34 meV (pour YBCO avec Tc = 61 K), Ωkink = 78 meV, ωr = 40 meV (pour YBCO avec Tc = 90 K). Enfin, pour la première fois la forme anormale de la conductance (proportionnel à la densité d’états électroniques) observée par spectroscopie tunnel a été expliquée (Fig.2) et les relations entre l’énergie de ses points caractéristiques et ωr ont été obtenues. A nouveau l’énergie ωr extraite est en bon accord avec celle obtenue par diffusion de neutrons.
Tous ces résultats obtenus au sein d’une même théorie constituent un argument important en faveur d’une supraconductivité de haute Tc induite par les fluctuations de spin.
Références :
1. Superconducting pairing through the spin resonance mode in high-temperature cuprate superconductors
F.Onufrieva and P. Pfeuty, Phys. Rev. Lett. 102, 207003 (2009).
2. SC state in the underdoped high-Tc cuprates as a quantum spin liquid. A microscopic theory
F.Onufrieva and P. Pfeuty, arXiv:cond-mat/9903097 (1999);
Spin dynamics of a two-dimensional metal in a superconducting state: Application to the high-Tc cuprates
Phys.Rev.B 65, 054515 (2002)
3. The spin excitation spectrum in superconducting YBa2Cu3O6.85
P. Bourges, Y. Sidis, H. F. Fong, L. P. Regnault, J. Bossy, A. Ivanov, B. Keimer, Science 288, 1234 (2000).