Textures Magnétiques Cachées dans la Phase de Pseudo-gap des Cuprates Supraconducteurs à Hautes Températures Critiques – NEXUS

La quête de la supraconductivité à température ambiante n'a jamais cessé de battre son plein depuis sa découverte en 1911. Ce phénomène fascinant, où le matériau perd sa résistivité au passage du courant en dessous d'une température critique (Tc), se présente comme une solution aux défis sociétaux dans les domaines de l'énergie, des transports, de la santé et de l'informatique, et est déjà en jeu dans plusieurs infrastructures modernes. En l'état actuel des connaissances, les températures critiques les plus élevées ont été atteintes, à pression ambiante, dans une classe de matériaux à base d'oxyde de cuivre découverts en 1986, à savoir les cuprates. Ces oxydes sont des isolants de Mott antiferromagnétiques dans lesquels le dopage en trous induit un état supraconducteur qui survit jusqu'à 135 K, au-dessus de la température de l'azote liquide. Au fil des années, ces matériaux se sont révélé être un puits inépuisable d'instabilités électroniques exotiques qui ont stimulé un large éventail de recherches expérimentales et théoriques.
Le diagramme de phase électronique des cuprates supraconducteurs hauts-Tc dopés en trous est dominé par l'énigmatique phase de pseudogap dans le régime sous-dopé. Le pseudogap est considéré un élément clé pour la compréhension du mécanisme de la supraconductivité, jouant soit le rôle d'un état préemptif pour la supraconductivité, ou celui d'un paramètre d'ordre, caractérisé par des symétries brisées, en compétition avec la supraconductivité. Malgré des décennies d'efforts expérimentaux et théoriques, l'origine de ce mystérieux état électronique de la matière demeure une énigme. Une multitude de sondes expérimentales rapporte des brisures des symétries discrètes de renversement temporel, de parité et de rotation se produisant dans le pseudogap, interprétées comme les signatures d'un ordre magnétique caché préservant la symétrie de translation du réseau cristallin (magnétisme à q=0). Alors que les interprétations en termes de magnétisme de spin ou orbitalaire ne parviennent pas à reproduire les résultats expérimentaux, des phases exotiques impliquant des états quantiques magnéto-électriques de boucles de courants offrent une description satisfaisante des états électroniques conduisant à cet ordre à q=0. Cependant, ce magnétisme préservant la symétrie de translation, il ne peut être seul à l’origine du pseudogap. Récemment, nous avons découvert de nouvelles corrélations magnétiques dans la phase de pseudogap, donnant lieu à une diffusion magnétique à q=1/2 dans l'espace réciproque. Combinées au magnétisme q=0, ces corrélations conduisent à une texture magnétique cachée au sein de la phase de pseudogap, brisant la symétrie de translation et pouvant jouer un rôle dans l'ouverture du pseudogap.
Le projet NEXUS suit une approche transdisciplinaire à deux volets, reliant la chimie et la physique de la matière condensée. Les deux principaux objectifs de NEXUS sont de : i) sonder l'universalité du magnétisme q=1/2 dans la phase de pseudogap de différentes familles de cuprates, sa caractérisation (en fonction du dopage, de la température, du champ magnétique) et comprendre son interaction avec d'autres instabilités électroniques dans l'état pseudogap telles que l’onde de densité de charge et l’état supraconducteur et ii) étudier les signatures de la brisure de symétrie de translation dans l'état de pseudogap, résultant d’une texture magnétique cachée de boucles de courant, qui serait la preuve directe du lien entre le magnétisme de boucles de courant et l'apparition du pseudogap.
La méthodologie de NEXUS comprend une importante activité de chimie du solide et de croissance cristalline de divers cuprates par la méthode de fusion de la zone solvante ou par flux. L’étude des nouvelles corrélations magnétiques à q=1/2 et leur lien avec le magnétisme à q=0 seront menées sur très grands instruments de recherche, au moyen d’outils de pointe : la diffusion neutronique et la diffraction résonante des rayons X.