2.4 Pr´esentation des ´echantillons
2.4.1 Pr´esentation de la famille Bi-2212
Structure cristallographique de Bi-2212
La supraconductivit´e dans le compos´e Bi-2212 a ´et´e d´ecouverte par H.Maeda et al. en 1988 [47]. Ce syst`eme pr´esente deux sp´ecificit´es par rapport aux autres cuprates : une structure incommensurable modul´ee, qui implique principalement un d´eplacement coh´erent des oxyg`enes dans les plans BiO, et une d´ependance de Hc2 en fonction de la direction du champ appliqu´e, correspondant `a un supraconducteur 2D [150]. La
structure cristalline moyenne de Bi-2212 est relativement bien d´efinie. Le syst`eme est quasiment t´etragonal. Sch´ematiquement, on peut d´ecrire le syst`eme par le motif suivant : deux plans CuO2 s´epar´es par un atome
de calcium, c’est le biplan CuO2. De part et d’autre de ce biplan se trouvent les plans BiO. Les atomes de
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Fig.2.6: Structure cristallographique des trois SHTCs ´etudi´es durant cette th`ese : a) Bi2Sr2CaCu2O8+x b) YBa2CuO6+x et c) La2−xSrxCuO4 (les fl`eches correspondent `a
l’ordre AF des spins du cuivre dans le cas non dop´e (x=0)). Sur ces trois figures, on a mis en ´evidence l’octa`edre CuO6. d) Diff´erentes descriptions du plan CuO2 : la
cellule ´el´ementaire en notation orthorhombique est repr´esent´ee en rouge, la cellule ´el´ementaire en notation t´etragonale est repr´esent´ee en bleu (en notation orthorhom- bique, la cellule ´el´ementaire est deux fois plus grande et tourn´ee `a 45◦ de la cellule ´el´ementaire en notation t´etragonale)
2.4 Pr´esentation des ´echantillons
reporte sur la Fig.2.6.a) un sch´ema de la structure cristallographique. La description pr´ecise de la structure ne fait pas consensus. La principale difficult´e r´eside dans la description des plans BiO qui pr´esentent une structure incommensurable. En particulier lorsque x>0, le positionnement des oxyg`enes dans les plans BiO n’est pas clair. Exp´erimentalement, la situation est compliqu´ee par le tr`es mauvais contraste entre les atomes de bismuth (atome lourd Z=83) et les atomes d’oxyg`ene (atomes l´egers Z=8) en diffraction X. Il est donc difficile de d´eterminer le positionnement des oxyg`enes par diffraction des rayons X. En principe, ce type de difficult´e peut ˆetre r´esolu par la diffraction de neutrons (meilleur contraste entre les atomes de bismuth et les atomes d’oxyg`ene). Pendant longtemps, la qualit´e des ´echantillons (d´efaut d’empilement, dislocation, etc...) n’´etait pas suffisante pour d’envisager une ´etude par neutrons.
Rapidement apr`es la d´ecouverte de ce compos´e, Yamamoto et al. [151] ont propos´e une modulation incom- mensurable avec un vecteur de propagation QS=0.21b∗ortho+c∗ en notation orthorombique (b∗ortho =
a∗tetra+ b∗tetra). Cette description a ´et´e remise en cause. En effet, dans cette hypoth`ese, on s’attendrait `a
avoir des pics de surstructure de part et d’autre des tˆaches de Bragg en τ ± QS ((0,2.21,1) et (0,1.79,1)) par
exemple) avec des intensit´es ´equivalentes. Or diff´erentes mesures ( [152],[153]) ont montr´e un ordre de gran- deur entre l’intensit´e de ces deux pics de surstructure. Afin de r´esoudre ce probl`eme, Walker et al. [154] ont propos´e une autre description. Le compos´e Bi-2212 est vu comme deux sous-r´eseaux A et B s’interp´en´etrant. Le r´eseau A d´ecrit tous les atomes sauf les atomes d’oxyg`ene se trouvant dans le plan BiO, il a une maille orthorhombique de param`etres (a,b,c). Le r´eseau B d´ecrit les atomes d’oxyg`ene avec une maille orthorhom- bique de param`etres (a,b’,c) avec b’=0.452b, ce qui donne dans l’espace r´eciproque : b′∗=2.21b∗. Les tˆaches
de Bragg sont alors index´ees par quatre indices de Miller : (h,k,l,m) respectivement associ´es `a (a*,b*,c*,b*’). Le r´eseau A contribuera aux points (h,k,l,0) et le r´eseau B aux points (0,0,l,m). Les deux sous-r´eseaux sont en fait coupl´es et vont donc induire une modulation de l’un sur l’autre. Pour le r´eseau A, la modulation sera impos´ee par b’*. Pour le r´eseau B, la modulation sera impos´ee par b. Ainsi en (0,2.21,1), on a les raies du r´eseau B, et en (0,1.79,1) les raies dues `a la modulation du r´eseau A par le r´eseau B : l’intensit´e est donc plus faible en (0,1.79,1) qu’en (0,2.21,1). Bien que cette approche soit satisfaisante, elle n’exclut pas l’hypoth`ese d’une modulation incommensurable avec des oxyg`enes distribu´es de fa¸con discontinue dans le plan BiO. Grˆace au formalisme 4D pour les cristaux ap´eriodiques, l’´equivalence des deux structures en pr´esence de d´esordre a ´et´e d´emontr´ee [155, 156].
Quelle que soit la nature exacte de la structure cristallographique, l’´etude structurale r´ev`ele deux difficult´es inh´erentes aux cuprates `a base de Bi. La premi`ere difficult´e r´eside dans le d´esordre et l’h´et´erog´en´eit´e du dopage dans ces compos´es. En effet, quelle que soit la description choisie, il faut introduire du d´esordre pour d´ecrire la structure[156]. La deuxi`eme difficult´e, plus gˆenante pour la DIN, est li´ee `a la structure phononique. En effet, l’impossibilit´e de d´ecrire de fa¸con exacte la structure cristalline signifie que le spectre phononique sera difficile `a d´eterminer tant exp´erimentalement que th´eoriquement. Concr`etement, il sera donc difficile d’obtenir un phonon de r´ef´erence permettant une calibration en unit´es absolues des excitations magn´etiques. L’analyse des donn´ees sera aussi plus compliqu´ee car la diff´erence entre les signaux magn´etique et nucl´eaire pourra difficilement ˆetre anticip´ee.
Pr´esentation de nos ´echantillons de Bi-2212
Trois ´echantillons de Bi-2212 de dopages diff´erents ont ´et´e ´etudi´es : un ´echantillon pr`es du dopage optimal de Tc=87K (l´eg`erement surdop´e), un ´echantillon surdop´e de Tc=70K et un ´echantillon au dopage optimal
de Tc=91K.
Dans le premier cas (Fig.2.7a)), l’´echantillon est constitu´e d’un large cristal de masse 2g. L’´etude structu- rale a r´ev´el´e l’existence d’une cristallite dont l’axe c est tourn´e d’environ 12˚ par rapport `a celui du cristal principal et dont le volume repr´esente envrion 15% du volume total. On ´evalue donc la masse r´eelle de notre ´echantillon `a 1.7g. Cette cristallite est en fait probl´ematique car son spectre d’excitations magn´etiques se
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superposera `a celui de la partie principale. Ainsi, dans chacune des exp´eriences, nous avons pris soin d’orien- ter l’´echantillon de mani`ere `a ce que la contamination potentielle par la cristallite affecte une gamme de q ´eloign´ee du vecteur d’onde AF.
Dans le deuxi`eme cas (Fig.2.7b)), l’´echantillon est un pseudo cristal constitu´e d’une vingtaine de mono- cristaux co-align´es sur trois plaques d’aluminium par diffraction La¨ue et par diffraction de neutrons par L.Capogna. La masse totale est de 300mg. Ces ´echantillons ont ´et´e pr´epar´es au Max Planck Institut de Stuttgart dans le groupe de B.Keimer. La synth`ese a ´et´e r´ealis´ee par la m´ethode de la zone flottante. Les ´echantillons dop´es de fa¸con optimale ont ´et´e ensuite recuits sous oxyg`ene pour ˆetre amen´es dans la zone surdop´ee. Ensuite, les ´echantillons ont ´et´e s´electionn´es en fonction de leur Tc (par mesure de SQUID). Puis
chaque ´echantillon a ´et´e align´e par La¨ue et enfin align´e par diffusion de neutrons. Cette derni`ere mesure a permis d’´eliminer la moiti´e des ´echantillons qui pr´esentaient une mauvaise cristallinit´e de volume [157]. Dans le troisi`eme cas (Fig.2.7c)), l’´echantillon est aussi un pseudo cristal constitu´e de neuf monocristaux co-align´es sur trois plaques d’aluminium. La masse totale de l’´echantillon est de 19g. Ces ´echantillons ont ´et´e synth´etis´es par G.Gu du Brookhaven National Laboratory (BNL) `a la demande de J.Tranquada qui m’a invit´e `a participer `a ses exp´eriences de diffusion de neutrons en collaboration avec L.P Regnault (CEA). Les ´echantillons ont ´et´e align´es par M.Huecker (BNL) par La¨ue. L’alignement a ensuite ´et´e v´erifi´e par diffusion de neutrons sur le diffractom`etre D23 (CRG/CEA).
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Fig.2.7: Photo des trois ´echantillons Bi-2212 ´etudi´es au cours de cette th`ese : a) Tc=87K surdop´e, b) Tc=70K surdop´e, c) Tc=91K dopage optimal