Conductivité thermique dans les cuprates dopés en électrons

Dans cette thèse, la mesure de l’effet Hall thermique a été utilisée pour étudier différents matériaux quantiques, plus particulièrement les cuprates. Cette nouvelle sonde prometteuse est sensible aux excitations électroniques, magnétiques et possiblement topologiques de la matière. Étonnamment, il s’est avéré que les phonons peuvent générer un effet Hall thermique non nul dans la phase pseudogap des cuprates dopés en trous, et ce jusqu’à la phase isolante. Les phonons, particules sans charge, se sont avérés être les porteurs de chaleur responsables de ce signal transverse. La question première à laquelle cette thèse veut répondre est : quel est le mécanisme responsable de l’effet Hall thermique des phonons dans les cuprates, ou les isolants en général. Cette thèse par articles présente les résultats de trois projets distincts. Le premier est l’effet Hall thermique dans les cuprates isolants de Mott. Cette étude a confirmé l’origine phononique de l’effet Hall thermique dans les cuprates, tout en éliminant divers mécanismes pouvant générer un effet Hall thermique dans les isolants, comme les domaines structuraux et magnétiques ou la diffusion sur des impuretés de terres rares. La deuxième étude porte sur l’effet Hall thermique dans les cuprates dopés en électrons, de la phase isolante à la phase métallique. Un signal d’effet Hall thermique attribué aux phonons est toujours présent, et ce à tous les dopages. Les fluctuations antiferromagnétiques bidimensionnelles étant présentes à tous les dopages mesurés, cela semble être un élément à examiner dans la recherche du mécanisme responsable de l’effet Hall thermique des phonons. Finalement, le dernier projet présenté dans cette thèse porte sur l’étude d’un isolant antiferromagnétique cubique, Cu3TeO6. L’effet Hall thermique de cet isolant est d’amplitude relative similaire aux cuprates dopés en trous, et ne montre aucune anomalie lors de la transition magnétique à TN. Ainsi, l’ordre magnétique à longue portée n’est pas nécessaire à la conductivité thermique de Hall des phonons et la physique particulière des cuprates non plus

Étude de la conductivité thermique dans SmB6, un isolant de Kondo topologique

L’hexaborure de samarium, SmB6, est un isolant de Kondo topologique découvert il y a plus de 50 ans. Tout récemment, l’observation d’oscillations quantiques dans SmB6 suggère qu’il pourrait y avoir des excitations fermioniques sans charge à basse température dans le volume isolant de ce matériau. Il s’agit d’une proposition révolutionnaire ! Une façon de détecter de telles excitations est via leur capacité à transporter l’entropie, ce qu’une mesure de conductivité thermique devrait détecter comme un terme linéaire résiduel dans la limite où la température tend vers zéro. Ce mémoire porte sur des mesures de conductivité thermique dans SmB6 jusqu’à 70 mK sur divers monocristaux et dans des champs magnétiques allant jusqu’à 15 T. Pour tous les échantillons, en extrapolant les données à basse température, nous observons que le terme résiduel est nul. Nous ne trouvons donc aucune preuve directe de la présence de fermions. Cependant, nous observons une augmentation importante de la conductivité thermique lors de l’application d’un champ magnétique. Nous proposons un scénario où la chaleur est portée principalement par des phonons qui sont diffusés par des impuretés magnétiques, un mécanisme qui serait atténué par l’application d’un champ. Les données présentées ici seront comparées à deux études semblables publiées récemment. Les résultats de ce mémoire ont été publiés en juin 2018 dans la revue Physical Review B

Thermal Hall conductivity of electron-doped cuprates: Electrons and phonons

It has recently become clear that phonons generate a sizable thermal Hall effect in cuprates, whether they are undoped, electron-doped or hole-doped (inside the pseudogap phase). At higher doping, where cuprates are reasonably good metals, mobile electrons also generate a thermal Hall effect, the thermal equivalent of the standard electrical Hall effect. Here we show that in the cleanest crystals of the electron-doped cuprate Nd$_{2-x}$Ce$_{x}$CuO$_{4}$, at high doping, the phonon and electron contributions to the thermal Hall conductivity $\kappa_{\rm {xy}}$ are of comparable magnitude, but of opposite sign. In samples of lower quality, phonons dominate $\kappa_{\rm {xy}}$, resulting in a negative $\kappa_{\rm {xy}}$ at all temperatures. The fact that the negative phononic $\kappa_{\rm {xy}}$ in the metallic state is similar in magnitude and temperature dependence to that found in the insulating state at lower doping rules out any mechanism based on skew scattering of phonons off charged impurities, since a local charge should be screened in the metallic regime. The phononic $\kappa_{\rm {xy}}$ is found to persist over the entire doping range where antiferromagnetic correlations are known to be significant, suggesting that such correlations may play a role in generating the phonon thermal Hall effect in electron-doped cuprates. If the same mechanism is also at play in hole-doped cuprates, the presence of a phononic $\kappa_{\rm {xy}}$ below (and only below) the critical doping $p^{\star}$ would be evidence that spin correlations are a property of the pseudogap phase

Effect of pressure on the pseudogap and charge density wave phases of the cuprate Nd-LSCO probed by thermopower measurements

We report thermopower measurements under hydrostatic pressure on the cuprate superconductor La1.6−xNd0.4SrxCuO4 (Nd-LSCO), at low temperature in the normal state accessed by suppressing superconduc- tivity with a magnetic field up to H = 31 T. Using an ac thermopower measurement technique suitable for high pressure and high field, we track the pressure evolution of the Seebeck coefficient S. At ambient pressure and low temperature, S/T in Nd-LSCO was recently found to suddenly increase below the pseudogap critical doping p ⋆ = 0.23, consistent with a drop in carrier density n from n = 1 + p above p⋆ to n = p below. Under a pressure of 2.0 GPa, we observe that the large S/T value just below p ⋆ is suppressed. This confirms a previous pressure study based on electrical resistivity and Hall effect, which found that pressure lowers p ⋆, thereby reinforcing the interpretation that this effect is driven by the pressure-induced shift of the van Hove point. It implies that the pseudogap only exists when the Fermi surface is hole-like, which puts strong constraints on theories of the pseudogap phase. We also report thermopower measurements on Nd-LSCO and La1.8−xEu0.2SrxCuO4 in the charge density wave phase near p ∼ 1/8, which reveals a weakening of this phase under pressure.L.T. acknowledges support from the Canadian Institute for Ad- vanced Research (CIFAR) as a CIFAR Fellow and funding from the Institut Quantique, the Natural Sciences and Engi- neering Research Council of Canada (PIN:123817), the Fonds de Recherche du Québec–Nature et Technologies (FRQNT), the Canada Foundation for Innovation (CFI), and a Canada Research Chair. This research was undertaken thanks in part to funding from the Canada First Research Excellence Fund and the Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Ini- tiative (Grant No. GBMF5306 to L.T.). The National High Magnetic Field Laboratory is supported by the National Sci- ence Foundation through Grant No. NSF/DMR-1644779 and the State of Florida. J.-S.Z. was supported by NSF MRSEC under Cooperative Agreement No. DMR-1720595.Center for Dynamics and Control of Material

Phonons become chiral in the pseudogap phase of cuprates

The nature of the pseudogap phase of cuprates remains a major puzzle. One of its new signatures is a large negative thermal Hall conductivity κxy, which appears for dopings p below the pseudogap critical doping p∗, but whose origin is as yet unknown. Because this large κxy is observed even in the undoped Mott insulator La2CuO4, it cannot come from charge carriers, these being localized at p=0. Here we show that the thermal Hall conductivity of La2CuO4 is roughly isotropic, being nearly the same for heat transport parallel and normal to the CuO2 planes, i.e. κzy(T)≈κxy(T). This shows that the Hall response must come from phonons, these being the only heat carriers able to move as easily normal and parallel to the planes . At p>p∗, in both La1.6−xNd0.4SrxCuO4 and La1.8−xEu0.2SrxCuO4 with p=0.24, we observe no c-axis Hall signal, i.e. κzy(T)=0, showing that phonons have zero Hall response outside the pseudogap phase. The phonon Hall response appears immediately below p∗=0.23, as confirmed by the large κzy(T) signal we find in La1.6−xNd0.4SrxCuO4 with p=0.21. The microscopic mechanism by which phonons become chiral in cuprates remains to be identified. This mechanism must be intrinsic - from a coupling of phonons to their electronic environment - rather than extrinsic, from structural defects or impurities, as these are the same on both sides of p∗. This intrinsic phonon Hall effect provides a new window on quantum materials and it may explain the thermal Hall signal observed in other topologically nontrivial insulators.Center for Dynamics and Control of Material

Étude de la conductivité thermique dans SmB6, un isolant de Kondo topologique

L’hexaborure de samarium, SmB6, est un isolant de Kondo topologique découvert il y a plus de 50 ans. Tout récemment, l’observation d’oscillations quantiques dans SmB6 suggère qu’il pourrait y avoir des excitations fermioniques sans charge à basse température dans le volume isolant de ce matériau. Il s’agit d’une proposition révolutionnaire ! Une façon de détecter de telles excitations est via leur capacité à transporter l’entropie, ce qu’une mesure de conductivité thermique devrait détecter comme un terme linéaire résiduel dans la limite où la température tend vers zéro. Ce mémoire porte sur des mesures de conductivité thermique dans SmB6 jusqu’à 70 mK sur divers monocristaux et dans des champs magnétiques allant jusqu’à 15 T. Pour tous les échantillons, en extrapolant les données à basse température, nous observons que le terme résiduel est nul. Nous ne trouvons donc aucune preuve directe de la présence de fermions. Cependant, nous observons une augmentation importante de la conductivité thermique lors de l’application d’un champ magnétique. Nous proposons un scénario où la chaleur est portée principalement par des phonons qui sont diffusés par des impuretés magnétiques, un mécanisme qui serait atténué par l’application d’un champ. Les données présentées ici seront comparées à deux études semblables publiées récemment. Les résultats de ce mémoire ont été publiés en juin 2018 dans la revue Physical Review B

Transport signatures of surface states in a Weyl semimetal: evidence of field driven Fermi arc interferometry

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