Microwave transport under magnetic field in quantum materials

Les supraconducteurs permettent le transport électrique sans perte et sont des matériaux d'intérêt pour les technologies de demain comme le transport d'énergie, la lévitation magnétique, l’information quantique et bien d’autres innovations en médecine. La découverte de la supraconductivité par Kamerlingh Onnes date de 1911 et la théorie dite BCS qui la décrit a été formulée en 1957. Néanmoins une classe de supraconducteurs dit non conventionnels, tels que les supraconducteurs à haute température critique (cuprates) découverts par Bednorz et Müller en 1986, restent partiellement incompris. Le diagramme de phase de ces composés est complexe et mal compris. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte, en étudiant deux phénomènes du diagramme de phase des cuprates : 1) l'état fondamental du pseudo-gap et 2) la dissipation planckienne.Le pseudo-gap est une phase mystérieuse qui pourrait révéler des informations cruciales sur l’origine de la supraconductivité à haute température. En effet, la supraconductivité est très robuste à l’endroit où cette phase disparaît. Pour sonder son état fondamental dans les cuprates les plus propres, il faut soumettre l’échantillon à un champ magnétique d’environ 150 T à basse température pour supprimer la supraconductivité. Ceci nous permettrait de mesurer des oscillations quantiques ou effet Shubnikov - de Haas qui est une conséquence du passage des niveaux de Landau au niveau de l’énergie de Fermi à mesure que le champ magnétique augmente. La fréquence des oscillations quantiques est directement proportionnelle à l’aire de la surface de Fermi du matériau étudié. Déterminer cette surface de Fermi permettrait ainsi de mieux comprendre la nature de l’état fondamental du pseudo-gap. La mise en place d’une expérience Megagauss fonctionnant à haut champ magnétique (au-delà de 150 T) a été le cœur de mon travail effectué au LNCMI-Toulouse. Un circuit de mesure RF a été conçu et amélioré durant cette thèse. Des mesures sur des matériaux connus comme InAs, InSb et WTe2 ont été effectuées pour montrer que le dispositif expérimental est fiable et opérationnel pour être utilisé sur des cuprates.Une autre partie de ce travail de thèse se focalise sur la dissipation planckienne ; phénomène couramment observé autour d’un point quantique critique. Contrairement aux métaux usuels dont la résistance varie en T², certains matériaux quantiques montrent une dépendance linéaire en température. Cette variation linéaire serait due à taux de diffusion maximum permise par la physique quantique. A partir de la mesure de la conductivité en fonction de la fréquence et à l’aide du modèle de Drude étendu, il est possible d’extraire de manière direct un temps de relaxation permettant ainsi de tester la dissipation planckienne. Une expérience de mesure de transport micro-ondes (F=40 GHz) sous champ magnétique (B=7 T) et à très basse température (T=0.3 K) a été développée à l’université de Sherbrooke pour étudier ce phénomène. Des mesures sur le fermion lourd CeCoIn5 ont été effectuées et ont permis d’extraire un temps de relaxation proche du point critique quantique.

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