Quantum oscillations and the Fermi surface of high-temperature cuprate superconductors

Over 20 years since the discovery of high temperature superconductivity in cuprates (Bednorz and Müller, 1986 [1], ), the first convincing observation of quantum oscillations in underdoped YBa2Cu3O6.5 (Doiron-Leyraud et al., 2007 [2]) has deeply changed the theoretical landscape relevant to these materials. The Fermi surface is a basic concept of solid state physics, which underpins most physical properties (electrical, thermal, optical, etc.) of a metal. Even in the presence of interactions, this fundamental concept remains robust. While there was little doubt about the existence of a Fermi surface on the overdoped side of the phase diagram of the cuprates, the discovery of quantum oscillations in the underdoped regime was a surprise. The small pockets inferred from the measurements in underdoped YBa2Cu3Oy contrast with the large orbit found in overdoped Tl2Ba2CuO6 + δ. A central issue in understanding the phase diagram of high temperature superconductors is the origin of this difference at opposite sides of the superconducting dome. This review aims to shed light on this issue by bringing together recent results of quantum oscillation and transport measurements under high magnetic fields in hole-doped cuprates.

RésuméPrès de 20 ans après la découverte de la supraconductivité à haute température dans les cuprates (Bednorz et Müller, 1986 [1], ), les bases théoriques nécessaires à la compréhension de ces systèmes ont été bouleversées par les premières observations indiscutables dʼoscillations quantiques dans YBa2Cu3O6.5 sous-dopé (Doiron-Leyraud et al., 2007 [2]). En effet, la surface de Fermi reflète la plupart des propriétés physiques des métaux (électriques, thermiques, optiques, etc.). Ce concept de base est très robuste, et demeure valide même en présence de fortes interactions électroniques. Néanmoins, sʼil nʼy avait aucun doute sur lʼexistence de cette surface de Fermi du côté sur-dopé, la découverte dʼoscillations quantiques du côté sous-dopé a été, elle, une vraie surprise. Les petites poches déduites des mesures dans YBa2Cu3Oy sous-dopé contrastent avec la grande orbite observée dans Tl2Ba2CuO6 + δ sur-dopé. Une question clef posée par le diagramme de phase des cuprates est donc cette différence de comportement de part et dʼautre du dôme supraconducteur. Nous apportons des éléments de réponse à cette question, à la lumière des résultats récents obtenus par les mesures dʼoscillations quantiques et de transport sous fort champ magnétique dans les cuprates dopés aux trous.