Magnétisme et nématicité dans la famille des nouveaux supraconducteurs au fer

Ce travail de thèse a pour objet l'étude de la famille des supraconducteurs à base de fer, composés découverts en 2008 et présentant un diagramme de phase très riche dans lequel se trouve de la supraconductivité, du magnétisme, ainsi que d'autres ordres électroniques tel que la nématicité électronique. Ceci offre la possibilité de fortes interactions et/ou compétitions entre ces divers types d'ordres électroniques, et l'étude de ces composés vise à mieux comprendre la nature et le lien entre ces différents ordres. Ceci devrait permettre de mieux comprendre de façon générale les comportements collectifs des électrons corrélés dans les solides cristallins. Les supraconducteurs à base de fer sont en général des métaux et présentent un caractère multi-orbital,ce qui donne des degrés de liberté supplémentaires aux électrons. Dans cette thèse,nous avons étudié certains de ces matériaux par photoémission résolue en angle (ARPES),technique permettant de sonder leur structure électronique et d'estimer la force et la nature des corrélations électroniques dans chaque orbitale. Nous nous sommes intéressés à des phases non supraconductrices afin d'avoir une vision plus globale des supraconducteurs au fer. La première partie de cette thèse se concentre sur le composé FeSe. L'intérêt pour ce composé vient de l'émergence d'un nouveau type d'ordre électronique : la nématicité, où les électrons brisent spontanément la symétrie de rotation, ce qui rend les propriétés électroniques anisotropes.Grâce à l'ARPES, nous avons pu suivre l'évolution des différentes orbitales dxz, dyz et dxy,présentes au niveau de Fermi, à travers la transition structurale pour caractériser l'anisotropie de la structure électronique. Pour interpréter ces évolutions, nous avons collaboré au niveau théorique avec le groupe de Lara Benfatto de l'université de Rome. Nous avons élaboré un modèle où les fluctuations de spins, bien présentes dans FeSe même s'il n'y a pas d'ordre magnétique, sont capables de modifier la surface de Fermi. Ceci rend compte des modifications que nous observons par ARPES dans la phase nématique si on suppose que ces fluctuations deviennent anisotropes. La deuxième partie de cette thèse se penche sur les pnictures de la forme AM ₂ As ₂ (A = Ba, Sr, Ca, M = Fe, Co). Cette famille présente plusieurs cas où la nature du magnétisme est différente de celui que l'on trouve à proximité de la phase supraconductrice. Dans les composés à base de fer, il peut se produire une transition vers une phase "collapsée" qui a pour effet de supprimer les moments magnétiques locaux portés par les fers. Nous avons cherché à comprendre comment les propriétés électroniques sont affectées par cette transition. Dans les composés à base de cobalt, des fluctuations ferromagnétiques apparaissent dans les plans CoAs, et CaCo ₂ As ₂ s'ordonne magnétiquement à 72K. C'est un magnétisme plutôt itinérant, assez différent de celui des phases au fer, et nous avons voulu observer cette transition et l'évolution des corrélations dans cette limite. Durant cette étude nous avons été amené à nous poser des questions sur la façon dont l'ARPES, qui est une technique de surface, peut visualiser l'évolution des structures électroniques, notamment la tridimensionnalité, entre les différents composés où la distance entre les plans CoAs varie fortement suivant la nature de A.