Electrical and thermoelectric properties of cuprate superconductors under pressure and in high magnetic fields

Abstract

The high-temperature superconductivity and the phases that emerge in its vicinity have been the subject of many research studies and heated debates. We studied a wide range of dopings in the LSCO family of cuprate superconductors, in particular, Nd-LSCO (La1.6−x Nd0.4SrxCuO4). We performed electric, thermoelectric and thermal transport experiments to study the charge and spin density wave, pseudogap and strange metal phases and their interplay. Many of these transport experiments were performed in an extreme condition; in high magnetic fields, at low temperatures, and under hydrostatic pressure. As the charge density wave phase (CDW) appears, it reconstructs the Fermi surface and changes the balance between electron and hole carriers. By entering this phase, the Hall coefficient, RH, and the Seebeck coefficient, S, starts to decrease by decreasing the temperature. By tracking the signatures of the CDW onset temperature in transport probes at different dopings, we found the end point of this phase (pCDW) and realized that it is different from the pseudogap critical point (p*). We studied the effect of pressure on the CDWphase.We discovered that by increasing pressure, the temperature at which the Seebeck coefficient becomes negative, T0, decreases, which indicates that the CDW phase becomes weaker. On the other hand, the superconducting transition temperature, Tc, increases since the superconducting phase becomes stronger. In contrary, the onset of the charge order phase, TCDW, which is located right below the structural transition, increases by pressure. This increase has been seen both in the temperature dependence of the RH, and S/T. This observation shows that one of the constraints for the appearance of the CDW phase is the structure and reveals the competition between the superconducting and CDW phases. We studied the effect of pressure on the pseudogap phase by using the electric and thermoelectric probes. At p = 0.22 < p* = 0.23, in the temperature dependence of the resistivity and Hall effect, we observed that the upturn corresponding to the pseudogap phase is suppressed by the application of pressure. It shows that the pseudogap critical point moves to lower dopings by increasing pressure. We also observed that the pseudogap onset, T*, does not move by increasing pressure at lower dopings. The effect of pressure on higher dopings above the pseudogap is to decrease the magnitude of the Hall coefficient towards negative values. The conclusion is that the pseudogap phase is sensitive to the topology of the Fermi surface and it cannot exists on an electron-like Fermi surface. We realized that one of the conditions for the presence of the pseudogap is p* ≤ pFS, where pFS is the doping at which the Fermi surface becomes electron-like. For the first time, we performed the thermoelectricity experiments on cuprate superconductors in high magnetic fields and under pressure. We found that the S/T upturn at p = 0.22 is suppressed by the application of pressure. This result has corroborated the previous one and showed again that p* moves to lower dopings by the application of pressure. We studied the magnetic field dependence of the resistivity isotherms at dopings above the pseudogap phase in Nd-LSCO (at p = 0.24 > p∗ = 0.23) and in LSCO (at p = 0.24 > p∗ = 0.18) up to 84T. We observed that the field dependence of the resistivity is linear at low temperatures and becomes quadratic at higher temperatures.

La supraconductivité a haute température est accompagnée par différentes phases ayant été l’objet de nombreuses recherches et débats animes. Pour mieux comprendre ces différentes phases et leur interaction, nous avons étudié une vaste gamme de dopages dans la famille des supraconducteurs cuprates de LSCO, en particulier le Nd-LSCO (La1.6−xNd0.4SrxCuO4). Nous avons effectué des expériences de transport électrique, thermoélectrique et thermique pour étudier les ondes de densité de charge et de spin, le pseudo gap et la phase dite de métal étrange. Beaucoup de ces expériences de transport ont été effectuées dans des conditions extrêmes; dans des champs magnétiques élevés, a basses températures et sous de grandes pressions hydrostatiques. La phase d’onde de densité de charge (ODC ou CDW en anglais) reconstruit la surface de Fermi et modifie l’équilibre entre les porteurs de type électron et de type trou. En entrant dans cette phase, la dépendance en température du coefficient de Hall, RH, et du coefficient de Seebeck, S, montrent une chute. En traçant les signatures de la température de début CDW dans les sondes de transport a différents dopages, nous avons trouvé le point final de cette phase (pCDW) et constate qu’il est diffèrent du point critique du pseudo gap (p∗). Nous avons également étudié l’effet de la pression sur la phase CDW. Nous avons découvert qu’en augmentant la pression, la température à laquelle le coefficient de Seebeck devient négatif, T0, diminue, ce qui indique que la phase CDW devient plus faible. En revanche, la température de transition supraconductrice, Tc, augmente car la phase supraconductrice devient plus forte. Au contraire, le début de la phase de CDW, TCDW, qui se situe juste en dessous de la transition structurale, augmente sous la pression. Cette augmentation a été constatée a la fois dans la dépendance en température de RH et S/T. Cette observation montre que l’une des contraintes pour l’apparition de la phase CDW est la structure cristalline et révèle la compétition entre les phases supraconductrice et CDW. Nous avons étudié l’effet de la pression sur la phase pseudo gap en utilisant les sondes électriques et thermoélectriques. A p = 0.22 < p∗ = 0.23, dans la dépendance de la résistivité et de l’effet Hall en fonction de la température, nous avons observé qu’une augmentation correspond a la phase de pseudo gap supprimée par l’application de la pression. Cela montre que le point critique du pseudo gap réduit en dopage en augmentant la pression. Nous avons également observe que T∗ n’est pas affecté par la pression aux faibles dopages