Pseudogap

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Diagramme de phase d'un cuprate supraconducteur dopé montrant la phase du pseudogap

En physique de la matière condensée, un pseudogap décrit un état où la surface de Fermi d'un matériau possède un écart d'énergie partiel, par exemple, un état de structure de bande où la surface de Fermi n'est gapée qu'en certains points. Le terme pseudogap a été inventé par Sir Nevill Mott en 1968 pour indiquer un minimum dans la densité d'états au niveau de Fermi, N(EF), résultant de la répulsion coulombienne entre les électrons d'un même atome, d'une bande interdite dans un matériau désordonné ou d'un combinaison de ceux-ci.

Dans le contexte moderne, le pseudogap est un terme provenant du domaine de la supraconductivité à haute température et qui fait référence à une plage d'énergie (normalement proche du niveau de Fermi ) à laquelle très peu d'états sont associés. Ceci est très similaire à un véritable « gap », qui est une gamme d'énergie qui ne contient aucun état autorisé. De tels gaps s'ouvrent, par exemple, lorsque les électrons interagissent avec le réseau cristallin. Le phénomène de pseudogap est observé dans une région du diagramme de phase générique des cuprates supraconducteurs à haute température, existant dans des échantillons sous-dopés à des températures supérieures à la température de transition supraconductrice.

Seuls certains électrons sont sensibles à ce gap. Le gap, qui devrait être associé à un état isolant, n'existe que pour les électrons qui se déplacent parallèlement aux liaisons cuivre-oxygène. Les électrons qui se dirigent quant à eux à 45° de cette liaison peuvent se déplacer librement dans tout le cristal. La surface de Fermi est donc constituée d'arcs de Fermi formant des poches centrées sur les bords de la zone de Brillouin. Dans la phase du pseudogap, ces arcs disparaissent progressivement lorsque la température diminue jusqu'à ce que quatre points seulement sur les diagonales de la zone de Brillouin restent non gapés.

D'une part, cela pourrait représenter une toute nouvelle phase électronique consommant les états disponibles, n'en laissant spécifiquement que quelques-uns à apparier. En revanche, la similarité entre ce gap partiel et celui à l'état supraconducteur pourrait indiquer que le pseudogap résulte de paires de Cooper préformées.

Récemment, un état de pseudogap a également été décrit dans des supraconducteurs conventionnels fortement désordonnés tels que TiN, NbN, ou de l'aluminium granulaire.

Preuves expérimentales

Un pseudogap peut être observé par plusieurs méthodes expérimentales différentes. L'une des premières observations a été dans les mesures RMN de YBa2Cu3O6+x par H. Alloul et al. et par des mesures de chaleur spécifiques par Loram et al. Le pseudogap est également apparent dans les données ARPES (Angle Resolved Photoemission Spectroscopy) et STM (Scanning tunneling microscope), qui peuvent mesurer la densité d'états des électrons dans un matériau.

Mécanisme

L'origine du pseudogap est controversée et encore sujette à débat dans la communauté de la matière condensée. Deux interprétations principales se dégagent :

1. Le scénario des paires préformées : Dans ce scénario, les électrons forment des paires à une température T* qui peut être bien supérieure à la température critique T c où apparaît la supraconductivité. Des valeurs de T* de l'ordre de 300 K ont été mesurées dans des cuprates sous-dopés où T c n'est qu'environ 80 K. La supraconductivité n'apparaît pas à T* car de grandes fluctuations de phase du champ d'appariement ne peuvent s'ordonner à cette température. Le pseudogap est alors produit par des fluctuations incohérentes du champ d'appariement. Le pseudogap est un état normal précurseur du gap supraconducteur en raison de corrélations d'appariement dynamiques locales. Ce point de vue est soutenu par une approche quantitative du modèle d'appariement attractif liant des expériences de chaleur spécifiques.

2. Le scénario d'un pseudogap non lié à la supraconductivité : Dans cette classe de scénarios, de nombreuses origines possibles différentes ont été avancées, telles que la formation de bandes électroniques, d'un ordre antiferromagnétique ou d'autres paramètres d'ordre exotiques qui viennent concurrencer le mécanisme de supraconductivité.

Références

  1. ↑ (en) Tom Timusk et Bryan Statt, « The pseudogap in high-temperature superconductors: an experimental survey », Reports on Progress in Physics, vol. 62, no 1,‎ , p. 61–122 (DOI 10.1088/0034-4885/62/1/002, Bibcode 1999RPPh...62...61T, arXiv cond-mat/9905219, S2CID 17302108)
  2. ↑ (en) N. F. Mott, « Metal-Insulator Transition », Reviews of Modern Physics, vol. 40, no 4,‎ , p. 677–683 (DOI 10.1103/RevModPhys.40.677, Bibcode 1968RvMP...40..677M, CiteSeerx 10.1.1.559.1764)
  3. ↑ (en) N. Mannella, « Nodal quasiparticle in pseudogapped colossal magnetoresistive manganites », Nature, vol. 438, no 7067,‎ , p. 474–478 (PMID 16306987, DOI 10.1038/nature04273, Bibcode 2005Natur.438..474M, arXiv cond-mat/0510423, S2CID 4405340)
  4. ↑ (en) Benjamin Sacépé, Claude Chapelier, Tatyana I. Baturina et Valerii M. Vinokur, « Pseudogap in a thin film of a conventional superconductor », Nature Communications, vol. 1, no 9,‎ , p. 140 (PMID 21266990, DOI 10.1038/ncomms1140, Bibcode 2010NatCo...1.....S, arXiv 0906.1193, S2CID 6781010)
  5. ↑ (en) Mintu Mondal, Anand Kamlapure, Madhavi Chand et Garima Saraswat, « Phase fluctuations in a strongly disordered s-wave NbN superconductor close to the metal-insulator transition », Physical Review Letters, vol. 106, no 4,‎ , p. 047001 (PMID 21405347, DOI 10.1103/PhysRevLett.106.047001, Bibcode 2011PhRvL.106d7001M, arXiv 1006.4143, S2CID 1584672)
  6. ↑ (en) Uwe S. Pracht, Nimrod Bachar, Lara Benfatto et Guy Deutscher, « Enhanced Cooper pairing versus suppressed phase coherence shaping the superconducting dome in coupled aluminum nanograins », Physical Review B, vol. 93, no 10,‎ , p. 100503(R) (DOI 10.1103/PhysRevB.93.100503, Bibcode 2016PhRvB..93j0503P, arXiv 1508.04270, S2CID 122749546)
  7. ↑ (en) H. Alloul, T. Ohno et P. Mendels, « 89Y NMR evidence for a fermi-liquid behavior in YBa2Cu3O6+x », Physical Review Letters, vol. 63, no 16,‎ , p. 1700–1703 (PMID 10040648, DOI 10.1103/PhysRevLett.63.1700, Bibcode 1989PhRvL..63.1700A)
  8. ↑ (en) J. W. Loram, K. A. Mirza, J. R. Cooper et W. Y. Liang, « Electronic specific heat of YBa2Cu3O6+x from 1.8 to 300 K », Physical Review Letters, vol. 71, no 11,‎ , p. 1740–1743 (PMID 10054486, DOI 10.1103/PhysRevLett.71.1740, Bibcode 1993PhRvL..71.1740L)
  9. ↑ (en) V.J. Emery et S.A. Kivelson, « Importance of phase fluctuations in superconductors with small superfluid density », Nature, vol. 374, no 6521,‎ , p. 434–437 (DOI 10.1038/374434a0, Bibcode 1995Natur.374..434E, S2CID 4253557)
  10. ↑ (en) Marcel Franz, « Superconductivity: Importance of fluctuations », Nature Physics, vol. 3, no 10,‎ , p. 686–687 (DOI 10.1038/nphys739, Bibcode 2007NatPh...3..686F)
  11. ↑ (en) Mohit Randeria et Nandini Trivedi, « Pairing Correlations above Tc and pseudogaps in underdoped cuprates », Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 59, nos 10–12,‎ , p. 1754–1758 (DOI 10.1016/s0022-3697(98)00099-7, Bibcode 1998JPCS...59.1754R)
  12. ↑ (en) Philippe Curty et Hans Beck, « Thermodynamics and Phase Diagram of High Temperature Superconductors », Physical Review Letters, vol. 91, no 25,‎ , p. 257002 (PMID 14754139, DOI 10.1103/PhysRevLett.91.257002, Bibcode 2003PhRvL..91y7002C, arXiv cond-mat/0401124, S2CID 35179519)

Liens externes