Electron and phonon dynamics in strongly correlated systems: Mott transition in V2O3 and superconductivity in iron-pnictide compounds
Dynamique des électrons et des phonons dans les systèmes fortement corrélés : transition de Mott dans V2O3 et supraconductivité dans les pnictures de fer
Résumé
This thesis presents the study of electrons, phonons and their dynamics in the phase transitions of two strongly correlated materials, the prototype Mott compound (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 and the superconducting iron-pnictide Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2. These systems were studied with two complementary techniques, photoelectron spectroscopy and pump-probe reflectivity. Transient reflectivity measurements in (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 show a photo-induced lattice stiffening, due to the ultrafast (at the femtosecond time-scale) electronic structure modification. Coherent optical and acoustic phonon measurements investigated the link between electronic excitation, lattice properties and electron correlations. Sub-micron spatially resolved photoemission allowed the measurement of Mott-insulating and metallic domains in some parts of the phase diagram. In Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2, the first measurement of a coherent optical phonon in an iron-pnictide compound made it possible to interpret the transient electronic relaxation as governed by a selective electron-phonon coupling. The coupling constant, $\lambda$=0.12, is too weak to explain the superconductivity by a conventional phonon mediated mechanism. The electronic structure of Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2 has been measured by angle-resolved photoemission, allowing an optimal wavevector and energy resolution. The band dispersion and their orbital origin close to the Brillouin zone center have been determined, and the changes in the electronic structure induced by superconductivity have been measured. These changes include an inter-band spectral weight transfer and selective gap opening, revealing the complex character of the electronic structure of this multi-band superconductor.
Cette thèse concerne l'étude du rôle des électrons, des phonons et de leur dynamique dans les transitions de phase de deux systèmes fortement corrélés, le composé prototype de Mott (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 et le pnicture de fer supraconducteur Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2. Ces systèmes ont été étudiés grâce à deux techniques complémentaires, la spectroscopie de photoélectrons et la réflectivité pompe-sonde. Les mesures de réflectivité transitoire dans (V{1-x}Cr_{x})_2O_3 ont permis de mettre en évidence un durcissement photo-induit du réseau cristallin, dû à la modification ultra-rapide (à l'échelle femtoseconde) de la structure électronique du matériau. La mesure de phonons optiques et acoustiques cohérents a permis de montrer le lien entre excitation électronique, propriétés réticulaires et corrélations électroniques. Des mesures de photoémission résolue spatialement à l'échelle microscopique ont également permis, dans certaines parties du diagramme de phases, la visualisation de domaines isolants de Mott et métalliques. Concernant Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2, la première mesure d'un phonon optique cohérent dans un pnicture de fer a permis d'interpréter la relaxation électronique transitoire de ce système comme gouvernée par un couplage électrons-phonons sélectif. La valeur du couplage électrons-phonons déterminée par cette méthode, lambda=0.12, est trop faible pour que la supraconductivité de ce système soit médiée par les phonons. La structure électronique de Ba(Fe_{1-x}Co_{x})_2As_2 a été mesurée par photoémission résolue en angle à basse énergie de photon, permettant une résolution en énergie et en vecteur d'onde optimales. La dispersion des bandes autour du centre de la zone de Brillouin ainsi que leur symétrie ont ainsi été déterminées, et la modification de structure électronique induite par la transition supraconductrice a été mesurée. Cette dernière consiste en un transfert de poids spectral inter-bandes et l'ouverture de gaps sélectifs, reflétant le caractère complexe de la structure électronique des supraconducteurs multi-bandes.