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Posté par Redbran le Lundi 25/06/2018 à 12:00
Les supraconducteurs ferromagnétiques révèlent leurs secrets sous la contrainte
La coexistence du ferromagnétisme et de la supraconductivité est un phénomène rare et surprenant. Trois études récentes à l'INAC permettent de comprendre le mécanisme d'appariement des électrons dans ces supraconducteurs.


Figure 1: Diagramme de phase T-H de la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et...) dans URhGe pour différentes valeurs de contrainte uni-axiale appliquée suivant l'axe b. Le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une...) est également appliqué suivant b. L'axe c est l'axe facile ferromagnétique.

La coexistence microscopique du ferromagnétisme (Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, et pour certains (les aimants, matériaux magnétiques durs) de garder une aimantation importante même...) et de la supraconductivité dans plusieurs composés à base d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent,...) est une découverte majeure où l'INAC a joué un rôle de premier plan. La survie des paires de Cooper dans le très fort champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'échange ferromagnétique ne se comprend que si les deux électrons de la paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) ont des spins parallèles (supraconductivité "triplet"). On soupçonnait aussi que les fluctuations ferromagnétiques sont responsables de l'appariement des électrons: c'est ce que viennent de confirmer une étude théorique et deux études expérimentales réalisées à l'INAC. Ainsi, ces supraconducteurs ferromagnétiques sont sans doute les tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) premiers supraconducteurs "non-conventionnels" où l'on s'approche d'une compréhension quantitative du mécanisme d'appariement.

Une première étude a permis de comprendre l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) spectaculaire du champ critique de UCoGe, alors que ce composé a des propriétés électroniques assez "isotropes" lorsqu'il n'est pas dans l'état supraconducteur [1]. Nous avons démontré que cette anisotropie s'explique par la forte suppression du mécanisme d'appariement lorsque le champ magnétique est dirigé dans l'axe de facile aimantation, et nous avons pu établir une relation quantitative entre cette suppression, celle des fluctuations ferromagnétiques, et celle des corrélations électroniques. Une étape supplémentaire vient encore d'être franchie dans la compréhension fine du mécanisme d'appariement grâce à des expériences menées sur le composé URhGe sous contrainte uni-axiale [2]. Le comportement sous champ magnétique de ce système était déjà connu pour être remarquable: lorsque l'on applique un champ magnétique suivant l'axe b, perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la...) à l'axe facile ferromagnétique (axe c), la supraconductivité est tout d'abord détruite: c'est le comportement normal pour un supraconducteur. Mais avec un champ plus fort la supraconductivité réapparait, et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) critique maximale de URhGe est atteinte sous un champ de l'ordre de 12 T ! En appliquant une contrainte nous avons observé que ce champ décroit très rapidement, et que les deux poches supraconductrices se rejoignent (Figure 1). En même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), la température critique augmente fortement, aussi bien à champ nul, que sous champ. Nous avons corrélé ce renforcement de la supraconductivité à celui de la susceptibilité magnétique suivant l'axe b, perpendiculaire à l'axe facile ferromagnétique, et démontré que les fluctuations magnétiques transverses favorisent la supraconductivité. C'est contraire aux prédictions théoriques historiques "de référence" sur les supraconducteurs ferromagnétiques, mais en parfait accord avec celles formulées à l'INAC, qui montrent qu'il faut considérer ces supraconducteurs ferromagnétiques comme des supraconducteurs "multibandes" [3]. Dans ce cas, le couplage inter-bandes (ici réalisé par les fluctuations ferromagnétiques transverses) augmente la température critique, un effet prédit pour tous les supraconducteurs multibandes, comme les pnictures à base de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou...) ou MgB2, mais qui n'avait jamais pu être testé aussi directement que dans cette étude.

Ces travaux expérimentaux sont réalisés sur des monocristaux obtenus par tirage Czochralski dans un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet de...) tetra-arc au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier...) de PHELIQs. La mesure sous contrainte est réalisée dans un nouveau dispositif permettant l'application d'une contrainte uni-axiale in situ dans un cryostat à dilution (La dilution est un procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration inférieure que celle de départ, soit par ajout de solvant, soit par...) sous 8T, et celle de l'anisotropie du champ critique par conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi de Fourier (voir...) dans un autre cryostat à dilution avec orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) in situ de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) selon 2 axes sous 15T. Ils ont été possibles grâce au soutien de l'ERC de Dai (Le Digital Access Index (DAI) est un indice créé par l'Union internationale des télécommunications pour mesurer la capacité des individus d'un pays donné...) Aoki (NewHeavyFermion) et des ANR "SINUS (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour étudier les triangles et modéliser des phénomènes périodiques. Elles peuvent être définies comme rapports de...)" et "PRINCESS"

Note:
[1] B. Wu et al. Nature Commun., 8, 14480 (2017)
[2] D. Braithwaite et al. Phys. Rev. Lett. 120, 037001 (2018)
[3] V.P. Mineev et al. Physics Uspekhi 60, 121 (2017)


Contact chercheur:
Daniel Braithwaite

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Source: CEA-INAC
 
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