Etude par RMN des corrélations magnétiques dans les supraconducteurs à haute température critique: effets des impuretés
Résumé
All the high-Tc superconductors contain CuO2 planes which govern most of their physical properties. When increasing the number of doped holes per plane, these cuprates change from an antiferromagnetic/insulating behavior to a superconducting/correlated metal behavior (underdoped case). Above a certain limit of doping, the superconductivity progressively disapear, apparently together with the correlations (overdoped case). It is therefore of the first importance to get a precise description of the role and the nature of these correlations occuring within the planes above Tc in the different parts of the phase diagram. In this aim, we performed an NMR study of compounds containing one or two planes per cell unit, pure or with substitutional impurities. A spin pseudogap due to the presence of magnetic correlations has been shown to occur in the underdoped YBa2Cu3O6.6 compound (2 planes/cell) above Tc. Our 17O NMR measurements show that this pseudogap also occurs in HgBa2CuO4+y (1 plane/cell). This pseudogap therefore appears as an intrinsec property of the CuO2 planes. We also present a study of substitution impurity effects (Zn2+, Ni2+ or Li+ in Cu2+ plane site) on the magnetism of the planes above Tc. The 17O, 7Li NMR and SQUID measurements show that each impurity induces a local magnetic moment within the planes without changing their doping content. The measured values of these moments are anomalous and can be explained by the frustration of some in-plane preexisting antiferromagnetic correlations. In a second step, our approach consists in considering these moments as localized perturbations which allow to probe the susceptibility chi’(q non zero) of the planes by 17O NMR. The NMR indeed probes the polarisation of the electronic spins of the planes, which is proportionnal to the spatial susceptibility chi’(r), r being the distance to the impurity. Our measurements show an anomalous temperature dependence in the underdoped compounds, which can be explained by the presence of antiferromagnetic correlations. This anomalous dependence disapear with increasing doping, indicating that the system changes from a strongly correlated behavior to a Fermi Liquid one. This approach is a new way to probe chi’(q), which only transverse relaxation measurements could measure in an incomplete way up to now in cuprates.
Tous les supraconducteurs à haute Tc contiennent des plans CuO2 qui gouvernent leurs propriétés physiques. Selon le dopage en porteurs dans ces plans, les cuprates passent d'un comportement antiferromagnétique/isolant à un comportement supraconducteur/métal corrélé (cas sous-dopé), puis semblent retrouver un caractère métallique et perdent progressivement la supraconductivité (cas surdopé). Il est donc important de déterminer le rôle et la nature des corrélations dans ces plans au dessus de Tc selon le dopage. Pour cela, nous avons mené des mesures par RMN dans des composés à un ou deux plans par maille, purs ou contenant des impuretés par substitution. Un « pseudogap » de spin dû à la présence de corrélations magnétiques a été mis en évidence dans le composé sous-dopé YBa2Cu3O6.6 (2 plans/maille) au dessus de Tc. Nos mesures par RMN de l'17O montrent que ce « pseudogap » existe également à q=0 dans le composé HgBa2CuO4+y (1 plan/maille). Ce pseudogap apparaît donc comme une propriété intrinsèque des plans CuO2 de ces systèmes, et ne peut être expliquée par un couplage entre plans adjacents. Nous présentons également une étude de l'effet des impuretés, des ions Zn2+, Ni2+ ou Li+ substituées en site Cu2+ des plans, sur le magnétisme des plans au dessus de Tc. La RMN de l'17O, du 7Li et des mesures par SQUID montrent que les impuretés induisent des moments magnétiques locaux dans les plans sans affecter le dopage. Les valeurs anormales observées pour ces moments peuvent être expliquées par la frustration par substitution des corrélations antiferromagnétiques. Notre approche consiste alors à considérer ces moments comme des perturbations localisées qui permettent de sonder la susceptibilité Chi'(q non nul) des plans par RMN de l'17O. La RMN sonde la polarisation des spins électroniques des plans, proportionnelle à la susceptibilité spatiale chi'(r), r étant la distance à l'impureté. Nos mesures montrent une dépendance anormale en température dans les composés sous-dopés, interprétable par la présence de corrélations magnétiques. Cette dépendance anormale disparait à plus fort dopage, indiquant une évolution d'un comportement fortement corrélé à celui d'un liquide de Fermi. Cette approche est une nouvelle méthode pour sonder chi'(q), jusque là mesurée de façon incomplète seulement par les mesures de temps de relaxation transverse.