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Fait marquant

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 nous permettent de comprendre le mécanisme d’appariement des électrons dans ces supraconducteurs.

Publié le 22 juin 2018
La coexistence microscopique du ferromagnétisme et de la supraconductivité dans plusieurs composés à base d’uranium est une découverte majeure où notre institut a joué un rôle de premier plan. La survie des paires de Cooper dans le très fort champ d’échange ferromagnétique ne se comprend que si les deux électrons de la paire 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 dans notre institut. Ainsi, ces supraconducteurs ferromagnétiques sont sans doute les tout 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 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 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 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). En même temps, 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 dans notre institut, 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 ou MgB2, mais qui n’avait jamais pu être testé aussi directement que dans cette étude.

Figure : Diagramme de phase T-H de la supraconductivité dans URhGe pour différentes valeurs de contrainte uni-axiale appliquée suivant l’axe b. Le champ magnétique est également appliqué suivant b. L’axe c est l’axe facile ferromagnétique.


Ces travaux expérimentaux sont réalisés sur des monocristaux obtenus par tirage Czochralski dans un four tetra-arc au sein du laboratoire PHELIQs de notre institut. 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 sous 8T, et celle de l’anisotropie du champ critique par conductivité thermique dans un autre cryostat à dilution avec orientation in situ de l’échantillon selon 2 axes sous 15T.

Ces travaux ont été rendus possibles grâce au soutien de l’ERC de Dai Aoki (NewHeavyFermion) et des ANR « SINUS » et « PRINCESS».

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