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Andres Santander

Montre-là ! Qu’est-ce que tu caches ? Etude microscopique de la transition dite « d’ordre caché » de l’URu2Si2 par spectroscopie de photoémission résolue en angle.

Le 21 octobre 2008, à 16h15

La réorganisation spontanée et collective des degrés de liberté d’un système lors d’une transition de phase vient généralement accompagnée d’une rupture de symétrie et l’apparition d’un paramètre d’ordre. Dans les solides, les transitions de phase se manifestent par des changements majeurs de leurs propriétés macroscopiques, comme par exemple la chaleur spécifique, la susceptibilité magnétique ou la résistance. Souvent, le paramètre d’ordre associé à la transition est facilement identifié, mais il existe des matériaux pour lesquels on observe une claire transition de phase sans qu’on puisse identifier le paramètre d’ordre correspondant : on est confronté à un « ordre caché ». Un exemple paradigmatique est le métal URu2Si2, qui présente une transition de phase de deuxième ordre à une température To = 17.5 K, et dont la nature du paramètre d’ordre associé reste un mystère après plus de 20 ans de recherche expérimentale et théorique. Dans ce matériau, les fortes répulsions entre les électrons de conduction (amenant à des masses effectives électroniques grandes) mettent en compétition des comportements localisés et itinérants de ces électrons. Une question critique est savoir si l’ordre caché dans l’URu2Si2 survient des électrons de type f localisés sur les atomes d’uranium, ou si au contraire des électrons itinérants sont à l’origine de l’instabilité donnant lieu à la transition. Il est également important de savoir dans quelle mesure la compétition « localisé – itinérant » peut jouer un rôle dans ladite transition.

Nous avons mesuré, par spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) à haute résolution, la structure de bandes près du niveau de Fermi de l’URu2Si2 à des températures supérieures et inférieures à To. Les données brutes dévoilent un changement majeur juste en dessous de To : l’apparition d’une bande étroite d’électrons lourds en dessous du niveau de Fermi (EF), sur laquelle s’ouvre un gap lorsque la température diminue d’avantage. Cette observation prouve de façon explicite l’existence de porteurs itinérants, dont la bande est fortement modifiée par la transition d’ordre caché. Une analyse plus détaillée des données montre que cette bande étroite « migre » vers des énergies E > EF quand la température augmente, croissant EF à T = To. Il semblerait, en plus, que cette bande résulte de l’hybridation d’une bande de conduction avec une bande d’électrons localisés, signalant l’importance du double jeu « localisé – itinérant » des électrons dans ce matériau.

Dans ce séminaire, nous introduirons quelques aspects de la physique des matériaux fortement corrélés et des matériaux à fermions lourds. Nous décrirons de façon succincte l’ARPES, une technique expérimentale puissante qui permet de sonder directement la structure électronique d’un matériau. Nous discuterons quelques aspects de la physique de l’URu2Si2, et décrirons les résultats de nos mesures, leur lien avec d’autres observations expérimentales, et leurs implications.