Etude des excitations magn´etiques par diffusion de neutrons polaris´es

L’´etude en neutrons polaris´es de la dynamique de spin dans les compos´es Bi-2212 est devenue r´ecemment envisageable grˆace `a l’effort de crystallog´en`ese r´ealis´e par G.Gu au BNL sous l’impulsion de J.Tranquada. Durant ma derni`ere ann´ee de th`ese, j’ai pu participer `a ce projet.

L’´echantillon utilis´e a ´et´e pr´esent´e dans le chapitre 2, on pourra en particulier se r´ef´erer `a la Fig.2.7.c) pour une illustration du montage. L’´etude de cet ´echantillon a d’abord ´et´e initi´ee sur le spectrom`etre `a temps de vol MAPS `a ISIS. Les exp´eriences auxquelles j’ai particip´e avaient pour but de compl´eter cette s´erie initiale de mesures. En particulier, l’un des objectifs ´etait de d´eterminer la nature magn´etique (ou non) du signal mesur´e au-dessous de l’´energie de la r´esonance sur MAPS. En effet, bien que les mesures aient ´et´e r´ealis´ees `a petit Q, une contribution phononique n’´etait pas `a exclure. Etant donn´ee la masse de l’´echantillon disponible, une ´etude en neutrons polaris´es ´etait aussi envisageable. Nous avons donc principalement ´etudi´e la nature du signal observ´e au-dessous de la r´esonance pendant deux semaines sur le spectrom`etre IN22 en configuration CRYOPAD. Les mesures ont ´et´e r´ealis´ees `a kf=3.84˚A−1. L’´echantillon a ´et´e mont´e dans le

plan (100)/(038) afin de pouvoir mesurer le long de la direction a*.

Nous reportons sur la Fig.3.9 l’intensit´e dans le canal spin flip (SF) le long de la direction (H,1.5,4) pour T=2K (Fig.3.9.a)) et T=100K (Fig.3.9.b)) pour la polarisation (H//Q) pour des ´energies allant de E=18meV `

a 48meV. Quelle que soit l’´energie lorsque la coupe pr´esente un pic, celui-ci est centr´e au vecteur d’onde AF. Afin de confirmer la nature magn´etique ou non des pics, nous avons r´ealis´e une analyse compl`ete de polarisation au vecteur d’onde AF pour toutes les ´energies ´etudi´ees. Nous reportons en points noirs ouverts l’intensit´e magn´etique et le bruit de fond d´eduits de l’analyse compl`ete de polarisation. A basse temp´erature et pour E=34 et 40meV, l’analyse compl`ete de polarisation a ´et´e ´etendue `a d’autres vecteurs d’onde.

L’analyse compl`ete de polarisation permet de mettre en ´evidence l’existence de deux types de contributions dans les coupes en Q. La premi`ere contribution est non magn´etique. Celle-ci est particuli`erement visible `a 26meV quelle que soit la temp´erature. Le point de bruit de fond et le point d’intensit´e magn´etique se superposent, ce qui sugg`ere que le pic observ´e dans le canal SF est d’origine non magn´etique. La Fig.3.9.b) sugg`ere qu’il existe une contamination pour chaque ´energie. Ainsi `a 48meV, on observe en plus d’une structure centr´ee autour du vecteur d’onde AF un pic centr´e en H=1. A mesure que l’´energie diminue, ce pic se d´eplace vers les petites valeurs de H pour atteindre QAF`a 26meV. Cette contamination est probablement due `a la

3.2 Mesure des excitations magn´etiques dans le compos´e Bi-2212

100

200

300

400

500

600

0

0.2 0.4 0.6 0.8

1

Intensity (Mn=1000/18mn)

Q=(H,1.5,4.5)

a)

100

200

300

400

500

600

0

0.2 0.4 0.6 0.8

1

Intensity (Mn=1000/18mn)

Q=(H,1.5,4.5)

E=48meV

E=40meV

E=34meV

E=26meV

E=18meV

b)

Fig._{3.9: Bi-2212 Tc=91K (dopage optimale) : a) En rouge : intensit´e spin-flip pour H//Q et} T=2K le long de la direction (H,1.5,4.5) pour des ´energies allant de E=18meV (en bas) `

a E=40meV (en haut). En noir, on reporte le r´esultat de l’analyse de polarisation : les point ouverts correspondent `a l’intensit´e magn´etique d´eduite et les points ferm´es correspondent aux points de bruit fond. b) En vert : mˆeme chose qu’en a) pour T=100K et pour E=18meV (en bas) et E=48meV (en haut)

3 Etude des fluctuations de spins dans les compos´es supraconducteurs `a haute temp´erature critique Bi2Sr2CaCu2O8+x

raie (111) de l’aluminium.

L’analyse de polarisation permet ´egalement de mettre en ´evidence une deuxi`eme contribution, cette fois-ci d’origine magn´etique. A 40meV, cette contribution est centr´ee au vecteur d’onde AF. Son intensit´e diminue pour T=100K mais ne semble pas disparaˆıtre compl`etement au-dessus de Tc. Au-dessous de 40meV, l’analyse

de polarisation indique la pr´esence d’un signal plus faible qui semble peu d´ependant de la temp´erature. L’amplitude du signal diminue `a mesure que l’´energie diminue. Par faute de temps, seule la coupe en Q `a E=48meV pour T=100K a ´et´e r´ealis´ee. L’´etude `a haute temp´erature sugg`ere la pr´esence d’un signal incommensurable au-dessus de la r´esonance.

0 20 40 60 80 10 20 30 40 50 60

Magnetic Intensity (5h/pts)

Energy (meV)

Fig._{3.10: Bi-2212 Tc=91K (dopage optimale) : Intensit´e magn´etique d´eduite de l’analyse} compl`ete de polarisation au vecteur d’onde Q=(0.5,1.5,4.5) en fonction de l’´energie pour T=2K (points rouges), T=100K (points verts) et T=150K (points bleus). A T=2K et T=100K, les intensit´es sont ajust´ees par des gaussiennes.

De fa¸con compl´ementaire `a la Fig.3.9, nous reportons sur la Fig.3.10 l’intensit´e magn´etique d´eduite de l’analyse de polarisation `a QAFen fonction de l’´energie pour T=2K et T=100K. Cette figure permet de mieux

appr´ecier l’´evolution en temp´erature du spectre magn´etique. A basse temp´erature, le spectre se caract´erise par un pic gaussien centr´e `a une ´energie de 40meV de largeur 16meV. Au-dessus de Tc, cette ´etude sugg`ere

la pr´esence d’un signal magn´etique centr´e `a l’´energie de la r´esonance et de largeur 30meV (´etant donn´ee cette largeur, une ´etude syst´ematique en ´energie devra confirmer cette mesure). Il est int´eressant de noter qu’`a T=150K, le signal semble avoir diminu´e `a 40meV.

Plusieurs conclusions peuvent ˆetre tir´ees de cette s´erie de mesure. Tout d’abord, ces mesures confirment la nature magn´etique et la largeur du pic de r´esonance dans le compos´e Bi-2212 discut´es dans la partie 3.2.2. Ensuite, cette s´erie de mesure r´e-ouvre le probl´ematique de la nature du signal magn´etique dans la phase normale des SHTCs au dopage optimal. En effet, cette mesure indique la pr´esence d’un signal magn´etique dont le poids spectral est au moins de l’ordre de grandeur de celui de la r´esonance pour un ´echantillon de dopage optimal. Alors que notre mesure dans un ´echantillon l´eg`erement surdop´e de Tc=87K montre un faible

signal dans la phase normale. Le poids des fluctuations magn´etique semble donc diminuer fortement en allant vers le r´egime surdop´e en accord avec notre discussion dans le cas de la famille de compos´e YBa2Cu3O6+x