Laboratoire de Physico-Chimie de l'Etat Solide - LPCES

2 : Composés à échelles de spins Sr14Cu24O41

Comme déjà mentionné plus haut, on observe dans la structure de certains cuprates un regroupement de chaînes de spins 1/2 conduisant à des "échelles de spins". De tels "objets" de basse dimensionalité sont intéressants pour les théoriciens du magnétisme car ils sont plus faciles à modéliser que les systèmes 3D ; il a été prédit, en particulier, que les échelles à nombre de montants pair devaient présenter un gap de spin et que le dopage des échelles pouvait conduire à un appariement de trous conduisant à la formation de paires de Cooper supraconductrices.

Nous avons ainsi été amenés à nous intéresser au composé Sr14Cu24O41 qui possède une structure complexe, à caractère 2D, qui peut être décrite par une alternance de trois types de plans le long de l’axe b : l’un constitué de chaînes CuO2, un autre de cations Sr2+ et enfin un plan constitué d’échelles à deux montants, de stœchiométrie Cu2O3. La valence nominale du cuivre dans un tel composé est de 2,25 c’est-à-dire que celui-ci est intrinsèquement dopé avec des trous. La substitution progressive de Sr par Ca (ou l’application de pressions élevées) fait chuter de façon importante la résistivité. Le remplacement de Sr2+ par Ca2+ ne modifiant pas la valence du cuivre, il a été spéculé que les trous localisés dans le composé non dopé devenaient mobiles en raison du recouvrement croissant des orbitales 3d de Cu et 2p de l’oxygène.

La recherche de la compréhension du phénomène observé et le lien évident avec la supraconductivité, déjà étudiée au laboratoire sur d’autres cuprates (YBaCuO, LaSCO, BiSCO), nous a amenés à tenter d’élaborer des monocristaux de Sr14Cu24O41 pur et dopé par Ca.
Ce composé ne présentant pas de point de fusion congruent nous avons été amenés à mettre au point une croissance par la technique de zone solvante (travelling solvent zone melting ou TSZM) qui permet de faire croître par fusion de zone verticale un cristal de composition donnée à partir d’une zone liquide de composition différente, elle-même alimentée par un barreau fritté polycristallin de composition identique à celle du cristal en cours d’élaboration : ceci équivaut en quelque sorte à une croissance en "flux", continue, dans laquelle la composition du bain n’évolue pas au cours de la croissance.

Nous avons ainsi pu, grâce notamment à l’application de pressions élevées (jusqu’à 12 bar) au cours de la croissance, élaborer des cristaux de taille centimétrique du composé pur ainsi que des cristaux comportant différents dopages en Ca, La et Eu. Cette réussite nous a amenés à être parmi les très rares au monde à pouvoir élaborer de tels cristaux et nous a conduits à de nombreuses collaborations avec les meilleurs laboratoires de physique, français et étrangers.

Parmi les résultats spectaculaires qui ont résulté des diverses expériences effectuées sur ces cristaux de compositions variées, nous mentionnerons :

- pour la composition Sr2Ca12Cu24O41, la mise en évidence sous 31 kbar, avec le groupe de D. Jérôme (LPS Orsay), d’une transition supraconductrice à 5 K (Figure 4),



Figure 4 : Dépendance en température de la résistivité électrique mesurée le long des échelles dans Sr2Ca12Cu24O41 sous 31 kbar. La supraconductivité apparaît à 5 K.


- pour le composé Ca14-xLaxCu24O41, au voisinage de x = 5, la mise en évidence par diffraction X, d’un désordre unidimensionnel selon la direction a de la structure,
- des expériences de diffraction neutronique et des mesures de conductivité optique qui ont mis en évidence, lors de la substitution de Sr par Ca, qu’une partie des trous était transférée des chaînes CuO2 vers les échelles,
- des mesures entre 5 et 300 K de la conductivité thermique, pour x=0 et x=2 dans le composé Ca14-xCaxCu24O41, ont mis en évidence un comportement différent selon l’axe a et l’axe c.