Observation dans les supraconducteurs à haute température critique d’un état électronique présentant des propriétés analogues à celles des cristaux liquides.

Les mécanismes concourant à l’apparition de la supraconductivité à haute température restent l’objet de nombreuses interrogations. Les ingrédients essentiels permettant l’apparition de ce phénomène sont maintenant connus : structure en feuillet du matériau composé de plans conducteurs, forte répulsion entre les électrons de conductions, interaction magnétique forte entre électrons,… Toutefois, la manière selon laquelle les électrons s’organisent collectivement reste pour l’essentiel un mystère. V. Hinkov et ses collaborateurs viennent d’apporter une nouvelle pièce à ce dossier complexe en mesurant les excitations magnétiques dans le composé YBa₂Cu₃O_6.45 , un matériau qui devient supraconducteur en dessous de 35 Kelvin. Ces physiciens ont observé l’apparition d’un ordre électronique anisotrope d’une structure analogue à celle de cristaux liquides. Cette organisation apparaît pour des températures inférieures à 150 Kelvin, alors que le matériau n’est pas encore supraconducteur et persiste à basse température. Confirmant la spécificité des interactions magnétiques dans les supraconducteurs à haute température, ces résultats apportent de nouvelles questions : cette organisation anisotrope des électrons entre-t-elle en compétition avec la supraconductivité et retardant son apparition ou favorise-t-elle les corrélations électroniques associées à l’état supraconducteur ?

V. Hinkov et ses collaborateurs ont effectué leurs mesures au Laboratoire Léon Brillouin* en mesurant la diffusion inélastique des neutrons d’un échantillon du composé YBa₂Cu₃O_6.45. Les matériaux de cette famille sont constitués d’un empilement de plans CuO₂, ce qui leur confère un fort caractère bidimensionnel. Ces plans sont pavés de plaquettes carrées aux sommets desquels setrouvent les atomes de cuivre séparés par des atomes d’oxygène. Les propriétés électroniques et magnétiques de ce système devraient en principe être invariantes par rotation de 90°. Les mesures effectuées par les physiciens montrent que ce n’est plus le cas pour les températures inférieures à 150 Kelvin. L’observation de la perte d’invariance par rotation à 90° à une température bien au dessus de la température supraconductrice est interprétée comme la signature de l’établissement d’un état électronique nématique, semblable à celui qui apparaît dans les cristaux liquides du même nom. L’origine de cette anisotropie reste maintenant à déterminer. Ces travaux ont fait l’objet d’une publication dans la revue Science du 1er février 2008.

A : description schématique d’une plaquette CuO₂. Dans le composé YBa₂Cu₃O_6.45, les liaisons Cu-O-Cu à 90° ont des longueurs sensiblement différentes (a < b).
B : carte en couleur montrant la distribution anisotrope des excitations magnétiques dans l’espace réciproque autour du vecteur d’onde planaire Q_AF caractérisant des excitations antiferromagnétiques. Les vecteurs d’onde planaires s’écrivent Q ≡ (H a*, K b*), avec a*=2π/a et b*=2π/b. Le vecteur d’onde antiferromagnétique est défini par Q_AF=((m+0.5)a*, (n+0.5)b*) (m,n entiers). Les excitations magnétiques sont mesurées à basse température pour une énergie de 3 meV. L’anisotropie des excitations magnétiques disparaît en chauffant ou en augmentant l’énergie.
C : transformation de la Figure B après avoir restauré artificiellement la symétrie par rotation à 90°.

* Les mesures de diffusion inélastique des neutrons ont été réalisées sur des spectromètres 3-axes à haute flux de neutrons de l’Institut Laue-Langevin à Grenoble et du réacteur Orphée à Saclay. Ces travaux de recherches on été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le groupe de B. Keimer du Max-Planck-Institut de Stuttgart et le groupe de Ph. Bourges du Laboratoire Léon Brillouin, unité mixte CEA-CNRS, à Saclay.