Montée et déclin du pseudogap dans le modèle d’Emery, éclairages pour les cuprates

Une phase cachée dans les supraconducteurs à haute température

Les supraconducteurs à haute température à base d’oxydes de cuivre sont connus pour conduire le courant électrique sans résistance à des températures relativement élevées. Mais même avant l’apparition de la supraconductivité, ces matériaux traversent un état mystérieux appelé pseudogap, où certains états électroniques semblent disparaître. Comprendre comment cette phase cachée apparaît et disparaît lorsque le matériau est modulé est essentiel pour expliquer le comportement étrange de ces composés et pour orienter les technologies futures qui pourraient les exploiter.

D’un isolant électrique à un bon métal

Les auteurs étudient un modèle théorique qui capture les ingrédients essentiels des couches cuivre‑oxygène, où les atomes de cuivre et d’oxygène contribuent au mouvement des électrons. Dans ce modèle, ils varient le nombre de « trous » ajoutés au système, ce qui est la manière standard dont les expérimentateurs règlent les matériaux réels à base de cuprates. À faible contenu en trous, le système se comporte comme un isolant avec une lacune complète dans son spectre électronique, de sorte que les électrons ne peuvent pas se déplacer librement. À mesure que l’on ajoute des trous, le matériau change progressivement de caractère et devient finalement un métal conventionnel où des états électroniques sont disponibles tout autour de la surface de Fermi et le courant circule facilement.

La montée et la forme du pseudogap

Entre les limites isolante et métallique, le modèle entre dans le régime du pseudogap. Ici, les états électroniques à basse énergie ne sont pas uniformément supprimés. Au contraire, ils disparaissent principalement près de points spécifiques de l’espace des moments appelés antinœuds, tandis qu’ils restent robustes près des nœuds. Ce déséquilibre crée des arcs de Fermi, des segments partiels d’une surface de Fermi qui serait autrement continue. En suivant comment le poids spectral aux points nodaux et antinodaux évolue avec la température et le contenu en trous, les auteurs identifient deux croisements : d’abord de l’isolant au pseudogap, puis du pseudogap au métal complet. Le pseudogap « s’élève » donc à partir de l’état isolant lorsque des trous sont ajoutés, atteint sa forme la plus marquée à un dopage intermédiaire, puis « décline » lorsque le système devient métallique.

La magnétisme de courte portée comme force motrice

L’étude examine également comment les fluctuations magnétiques évoluent à travers ces régimes. À faible contenu en trous, les corrélations de spin s’étendent sur de nombreuses distances de réseau, ce qui est cohérent avec un fond proche de l’ordre antiferromagnétique. Dans le régime du pseudogap, cependant, les corrélations magnétiques deviennent de courte portée, couvrant seulement quelques sites, tout en restant fortes et commensurées, avec un pic au vecteur d’onde associé à l’antiferromagnétisme. Lorsque le système passe à la phase métallique à plus fort dopage, ces fluctuations changent de caractère et deviennent incommensurées, leurs pics s’éloignant du motif antiferromagnétique simple. Les auteurs montrent que ce sont les fluctuations de spin dynamiques et de courte portée dans le régime intermédiaire qui sont principalement responsables de l’ouverture du pseudogap de manière sélective en moment.

Relier la théorie aux expériences

Lorsque les prédictions théoriques sont comparées à un large ensemble d’expériences sur des composés de cuprates bien étudiés, de nombreuses tendances convergent. La photoémission résolue en angle révèle des arcs de Fermi qui grandissent puis se reconnectent en une surface de Fermi complète dans une plage de dopage très similaire à celle prédite par le modèle. La diffusion de neutrons et les mesures Raman montrent des corrélations magnétiques qui sont de longue portée près de l’isolant parental, de courte portée dans le régime du pseudogap, et plus incommensurées à plus fort dopage, reflétant les longueurs de corrélation et les motifs de susceptibilité théoriques. La résonance magnétique nucléaire et les expériences de magnétométrie montrent également un déclin caractéristique de la réponse magnétique uniforme dans le régime du pseudogap, suivi d’une augmentation monotone dans l’état métallique plus fortement dopé, ce qui correspond là encore au comportement extrait du modèle.

Ce que cela signifie pour la compréhension des oxydes de cuivre

Dans l’ensemble, ce travail montre qu’un modèle réaliste à trois bandes des orbitales de cuivre et d’oxygène peut reproduire l’arc complet de comportements dans l’état normal (non supraconducteur) des cuprates, de l’isolant au pseudogap puis au métallique. Le pseudogap apparaît comme un phénomène de couplage fort lié à des fluctuations antiferromagnétiques de courte portée, et non comme une transition de phase simple avec une frontière nette. Pour un lecteur non spécialiste, cela signifie que la mystérieuse lacune partielle observée dans les expériences est une conséquence naturelle d’électrons s’influençant fortement les uns les autres en espace et en temps au sein des couches cuivre‑oxygène. En capturant ces effets dans un cadre unique et unifié, l’étude rapproche les théoriciens d’un tableau cohérent du fonctionnement de ces matériaux complexes.

Citation: Malcolms, M.O., Menke, H., Tseng, YT. et al. Rise and fall of the pseudogap in the Emery model, insights for cuprates. Commun Phys 9, 179 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02685-6

Mots-clés: pseudogap, supraconducteurs à base de cuprates, fluctuations de spin, arcs de Fermi, modèle d’Emery