Etude experimentale du scénario d'appariement à deux bosons dans les cuprates // exploring two boson pairing scenario in cuprates

Topic description

Depuis leur découverte en, les cuprates sont toujours les composés montrant la plus haute température critique à pression ambiante. Malgré un effort de recherche international prolongé et très intense, la communauté scientifique n'a pas pu s'accorder sur l'origine de l'appariement de Cooper permettant l'état supraconducteur dans ces composés, et cela reste une des grands question ouvertes en physique.
Un possible problème est que le débat c'est focalisé presque exclusivement sur des modèles ou l'appariement était du à un seul boson, qu'il soit un phonon, magnon ou bien d'un quasi-particule plus complexe, émergeant de l'état quantique fortement corrélé des porteur de charge dans le plans CuO2.
Mais la nature ne choisi pas forcement la simplicité, et un scénario à 2 boson, bien que très difficile à traiter théoriquement, pourrait expliquer des nombreuse contradiction dans la physique des cuprates.
Pour cela, nous explorerons plusieurs phénomène physiques, en particulier dans les cuprates oxychlorures, un système moins étudié mais qui présente des simplification importantes en particulier pour de modèles type Hubbard. Mais nous revisiterons aussi certaines mesures dans d'autre famille de cuprates, pour les comparer, afin de cibler les aspect qui pourrait être comparé à des modèles à deux boson.
En particulier, nous viserons deux types d'excitations thermiques collectives: les magnon et les phonons, et leurs effets sur la structure électronique, en particulier le gap supraconducteur et le pseudo-gap.
Dans la littérature sur le cuprates, ainsi que nos études précédents sur le oxychlorures, émergent plusieurs effet montrant un forte couplage des ces deux boson avec la structure électronique, notamment: un effet isotopique de l'oxygène anomale mais particulièrement fort, des anomalies (''kink'') dans la dispersion des bandes électronique aux énergies de Debye, à la fois des magnons et de phonons, avec un amollissement des mode de Debye de l'oxygène, ainsi que une forte signal de couplage electron-phonon à la même énergie, dans le RIXS (Resonant Inelastic X-rays Scattering) au seuil L3 du Cuivre.
Coté interaction electron-phonon dans un système de polarons de spin, dans le cadre de ce projet de thèse, nous proposons de faire de substitution isotopique de l'oxygène sur les cuprates oxychlorures, jamais réalisé auparavant, ce qui permet d'accéder directement aux effets de phonons sur la structure électronique et la supraconductivité. A noter que l'effet isotopique est connu dans d'autres famille des cuprates, et il est particulièrement fort dans la famille La (La2CuO4 dopé), isostructurale des oxychlorures.
Nous allons aussi explorer ces modes en RIXS au seuil K de l'oxygène, sensible au couplage éléctron-phonon de ces modes de vibration (collaboration L. Chaix, Inst. Néel et A. Nicolaou, Synchrotron Soleil).
Ce résultats seront comparé à des modèles de Hubbard calculé en c-DMFT (cluster Dynamical Mean Field Theory) par le groupe théorie de l'IMPMC, Sorbonne Université, à Paris (B. Lenz et M. Casula).
Coté interaction avec les magnon, dans le cadre du modèle de Hubbard, nous allons étudier le super-échange J en fonction de la pression, en regardant le bi-magnon mesuré par Raman (collaboration M.-A. Méasson, Inst. Néel), dont on peut déduire l'énergie de super-échange, et la comparer à des calculs c-DMFT (ménés par B. Bacq-Labreuil, IPCMS, Université de Strasbourg).
Enfin, nous allons aussi étudier le gap, et pseudo-gap, dans ce composé, en particulier pour en sonder la symétrie en utilisant le Raman, et comparer au calculs c-DMFT (aussi par B. Bacq-Labreuil).
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Since their discovery in, cuprates have consistently exhibited the highest ambient-pressure superconducting critical temperature. Despite prolonged and intensive international research efforts, the scientific community has not been able to agree on the origin of the Cooper pairing that enables the superconducting state in these compounds, providing numerous partially incompatible or contradicting theories. The origin of superconductivity in HTSC cuprates thereby remains one of the major open questions in condensed matter physics.
One possible problem is that the debate has focused almost exclusively on models where the pairing is due to a single boson, whether a phonon, magnon, or a more complex quasi-particle, emerging from the highly correlated quantum state of charge carriers in the CuO2 plane. But nature does not necessarily favor simplicity, and a two-boson scenario, although very difficult to address theoretically, could explain many contradictions in the physics of cuprates.
To this end, we will explore several physical phenomena, particularly in cuprate oxychlorides, a less studied system but one that offers significant simplifications, especially for Hubbard-type models. We will also revisit certain measurements in other cuprate families to compare them and identify aspects that could be compared to two-boson models. In particular we plan to look at the family of doped La2CuO4 and BSCCO. We will focus on two types of collective thermal excitations: magnons and phonons, and their effects on the electronic structure, especially the superconducting gap and the pseudo-gap.
In the literature on cuprates, as well as our previous studies on oxychlorides, several effects emerge showing strong coupling of these two bosons with the electronic structure. This includes: an anomalous but particularly strong oxygen isotope effect, anomalies ('kinks') in the dispersion of electronic bands at Debye energies, caused by both magnons and phonons, with a softening of the Debye phonon modes, i.e. the Cu-O bond-stretching ones, as well as a strong electron-phonon coupling signal at the same energy of these modes in the RIXS (Resonant Inelastic X-ray Scattering) signal at the L3 edge of copper.
Regarding electron-phonon interaction in a spin polaron system, within the framework of this thesis project, we propose to perform isotopic substitution of oxygen on cuprate oxychlorides, which has never been carried out before, and which allows direct access to the effects of phonons on the electronic structure and superconductivity. It should be noted that the isotopic effect is known in other cuprate families, and it is particularly strong in the La2CuO4 family, which is isostructural with oxychlorides. We plan to synthesise superconducting Na doped Ca2CuO2Cl2 following an established protocol we have developed using the large volume Conac press available at the Néel institute.
We will also explore Cu-O bond-stretching phonon modes using RIXS at the oxygen K-edge, which is sensitive to the electron-phonon coupling of these vibrational modes. These results will be compared to ab-initio calculations performed by the theory group of IMPMC, at Sorbonne University in Paris, which will attempt a description of strong electronic correlations and electron-phonon coupling on an equal footing.
Regarding interaction with magnons, we will study the energy of the bi-magnon as a function of pressure, measured by Raman spectroscopy. From this measurement, we can deduce the super-exchange energy J, and compare it to C-DMFT calculations (performed by collaborators at IPCMS, University of Strasbourg).
Finally, we will also study the superconducting gap and pseudo-gap in this compound, specifically to probe its symmetry using Raman spectroscopy.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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Concours pour un contrat doctoral