Soutenance de thèse de Stéphane LEPAULT

Etude de la reconstruction de la surface de Fermi des cuprates supraconducteurs dopés en trous

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés électroniques des cuprates supraconducteurs à haute température critique. Le diagramme de phase de cette famille de composé est très riche. En dopant ces composés, il est possible de changer le nombre de porteurs et ainsi d'explorer leur diagramme de phase.
L'une des questions est de caractériser l'état fondamental à basse température dans la partie sous-dopée en trous du diagramme de phase. Ces dernières années, des oscillations quantiques ont été mesurées dans les cuprates, suggérant un état fondamental de type liquide de Fermi. Les oscillations observées dans le composé YBCO combinées à des mesures d'effet Hall et de d'effet Seebeck montrent la présence de petites poches d'électron couvrant moins de 2 % de la première zone de Brillouin, 30 fois plus petites que la grande poche de trou prédite par les calculs de structure de bandes. L'approche de cette thèse est de considérer une reconstruction de la surface de Fermi provenant d'un ordre de charge bi-axial, comme le suggèrent de récentes mesures de RMN, de rayons X et d'ultrasons. Des mesures de transport et d'aimantation en champs magnétiques pulsés jusqu'à 81 T ont été effectuées dans YBCO et dans Hg-1201 à des températures allant de 1.5 K à 300 K. Cette thèse est divisée en trois parties :

D'une part nous présentons des mesures d'oscillations quantiques dans YBCO, sous champ magnétique pulsé, pour des dopages compris entre 9.8 % et 12.3 %. L'analyse nous a permis de proposer une topologie de la surface de Fermi, qui est constituée de poches de type électron et de poche(s) de type
trou. Un lien est établi entre les récentes mesures d'ordre de charge, la reconstruction de la surface de Fermi et la taille des poches mesurées. Ce scénario de reconstruction est également commenté au regard des autres sondes expérimentales et comparé aux autres scénarii envisageables.

Une deuxième partie montre la restauration de la cohérence du transport interplan en dessous d'une température notée Tcoh sous champ magnétique, pour des échantillons de YBCO dont le dopage est compris entre 8.4 % et 12 %. Cette restauration de la cohérence est interprétée comme une
conséquence de la reconstruction de la surface de Fermi.

Enfin la dernière partie est consacrée à des mesures d'effet Hall dans Hg-1201, un système cuprate modèle. Nous avons mesuré un signe négatif de l'effet Hall à basse température et sous champ magnétique intense, mettant en évidence la présence de poches d'électron dans la surface de Fermi de ce composé. Par analogie avec YBCO, nous avons proposé qu'un mécanisme de reconstruction de la surface de Fermi par une onde de densité apparaît à basse température dans Hg-1201.

This thesis focuses on the study of the electronic properties of the high temperature cuprate superconductors. The phase diagram of these compounds is very rich. By doping these compounds, it is possible to change the number of carriers and thus explore their phase diagram. One question is to characterize the ground state at low temperature in the underdoped part of the phase diagram. In recent years, quantum oscillations were measured in cuprates, suggesting a Fermi liquid-like ground state. The oscillations observed in the compound YBCO combined with Hall effect and Seebeck effect measurements show the presence of small electron pockets covering less than 2 % of the first
Brillouin zone, 30 times smaller than the large hole pocket predicted by the band structure calculations. The approach of this thesis is to consider a reconstruction of the Fermi surface by a bi-axial charge density wave, as suggested by recent NMR, X-ray and ultrasound measurements. Transport and
magnetization measurements in pulsed magnetic elds up to 81 T were performed in YBCO and in Hg-1201 at temperatures ranging from 1.5 K to 300 K. This thesis is divided into three parts :
In the first part, we present measurements of quantum oscillations in Y Ba2Cu3O6+ under pulsed
magnetic eld for doping levels between 9.8 % and 12.3 %. The analysis allowed us to propose a particular topology of Fermi surface, which consists of electron and hole pockets. A link is established between the charge order, the reconstruction of the Fermi surface and the size of the pockets. This scenario of the reconstruction of the Fermi surface is discussed in line with other experimental probes and compared to other possible scenarios.

The second part shows the restoration of the interplan c-axis transport in YBCO with doping level between 8.4 % and 12 % below a temperature Tcoh and in a magnetic field. The restoration of the c-axis coherence is interpreted as a consequence of the reconstruction of the Fermi surface.
The last part is devoted to Hall eect measurements in HgBa2CuO4+, a cuprate model. We have measured a negative Hall effect at low temperatures and in high magnetic fields, highlighting the presence of electron pockets in the Fermi surface of this compound. By analogy with YBCO, we have
proposed a mechanism for reconstruction of the Fermi surface with a density wave appearing at low temperature in Hg-1201.