Surface de Fermi et ordres électroniques dans les supraconducteurs non-conventionnels

Depuis la fin des années soixante-dix, une supraconductivité non-conventionnelle a pu être observée dans de nombreux matériaux à fortes corrélations électroniques, où l'approximation des électrons indépendants n'est plus valable. Dans les oxydes de métaux de transition, comme les cuprates ou le ruthénate de strontium (Sr2RuO4), le mécanisme de la supraconductivité est encore débattu, notamment le rôle de la forte répulsion coulombienne et de la basse dimensionnalité. Les corrélations peuvent aussi induire des transitions de phases que les expériences de transport électronique et d'oscillations quantiques permettent de sonder en mesurant la surface de Fermi. Dans le premier chapitre, j'introduirai les concepts de corrélations électroniques et certaines théories, notamment celle de Lifshitz-Kosevich des oscillations quantiques. Pour réaliser des mesures de transport dans l'état normal à basse température, il est nécessaire de détruire la supraconductivité en appliquant un champ magnétique. Ces conditions sont réalisées au LNCMI dont l'installation sera décrite au chapitre II. Je présenterai aussi les techniques expérimentales utilisées, notamment une méthode de mesure de résistivité sans contact appelée oscillateur à diode tunnel (TDO). Une partie de mon travail de thèse a permis d'augmenter la sensibilité de ce dispositif expérimental. Ces améliorations ont conduit à l'observation de nouvelles fréquences dans le spectre des oscillations quantiques de Sr2RuO4. Ces résultats seront présentés dans le chapitre III. Dans ce composé, les calculs de structure de bandes montrent l'importance du couplage spin-orbite, qui distord la surface de Fermi et rapproche les bandes alpha et gamma dans l'espace réciproque. Cet effet rend plus probable le phénomène de rupture magnétique dans les expériences sous champ intense. Nos observations de nouvelles fréquences s'interprètent comme une conséquence de la rupture magnétique. Une estimation du gap sera discutée pour la première fois à partir de mesures d'oscillations quantiques. Contrairement à Sr2RuO4, l'état normal du diagramme de phase des cuprates supraconducteurs dopés en trou n'est que partiellement connu. Cela est dû aux nombreux ordres en compétitions qui reconstruisent la surface de Fermi ainsi qu'à une supraconductivité robuste qui limite l'accessibilité à l'état normal. La situation est aussi complexifiée par la présence du pseudogap, une phase énigmatique qui gap certaines portions de la surface de Fermi. Après presque 40 ans de recherche, l'implication de ces phases dans le mécanisme de la supraconductivité est encore débattue, alimentant abondamment la littérature dans ce domaine : le chapitre IV est donc dédié à une revue de la bibliographie du domaine. Le cuprate Hg-1223 appartient à la famille des cuprates multicouches et possède le record de température critique (133 K au dopage optimal). Alors qu'une signature d'un ordre de charge a récemment été observée en spectroscopie Raman dans Hg-1223 sous dopé, les cuprates multicouches sont aussi connus pour posséder une large phase antiferromagnétique, stabilisée à fort dopage par le couplage inter-plan. Dans le chapitre V, nous proposons une première étude de l'état normal à basse température de Hg-1223 sous-dopé (p = 8-9 %). Le spectre complexe des oscillations quantiques et l'effet Hall positif sont interprétés à l'aide d'un scénario de coexistence entre ordre de charge et antiferromagnétisme dans différents plans de la cellule unité. Ce résultat contraste avec celui obtenu à plus fort dopage (p = 10 - 11 %) décrit dans le chapitre VI, où nos mesures de transport mettent en évidence pour la première fois une transition de phase en fonction de la température dans un cuprate. Celle-ci se manifeste par un changement de signe de l'effet Hall et une modification du spectre des oscillations quantiques en fonction de la température. Nous discuterons plusieurs scénarios pour tenter de comprendre cette reconstruction de la surface de Fermi.