Fractionnalisation d’une onde de densité de paires dans les cuprates supraconducteurs

Cuprates are materials that have attracted a lot of attention when it was discovered that they become superconducting at temperatures above the boiling point of nitrogen. Since then, a large amount of experimental and theoretical works have been devoted to the understanding of the phase diagram of these materials. One of the main controversial point is the nature of the state from which superconductivity emerges, the pseudogap. Indeed, it defies the Fermi liquid theory for metals and presents a series of competing electronic instabilities that are difficult to disentangle. In this thesis, I present a new idea to describe the pseudogap phase and the superconducting transition within the framework of fractionalization. The recent observation of Pair Density Wave, i.e. modulated particle-particle pairs, on top of the usual Cooper pairing from conventional superconductivity shows that translation symmetry and pairing are both important to the physics of cuprates. Our idea is based on the fact that this Pair Density Wave is difficult to stabilize, due to multiple reasons such as disorder, and that the system will thus break it down into uniform particle-particle pairs that will condense in the superconducting state and modulated particlehole pairs that will break the translation symmetry. This fractionalization has strong consequences on the electronic and phononic degrees of freedom that we show matches the puzzling experimental observations in the pseudogap phase. The idea that modulated particle-particle pairs can contribute to the electrical transport outside the pseudogap phase is also explored to explain the anomalous “strange metal” phase above the optimal doping.Les cuprates supraconducteurs désignent une classe de matériaux qui ont attiré beaucoup d’attention lorsqu’il a été découvert qu’ils devenaient supraconducteurs à une température supérieure à celle de l’azote liquide. Depuis lors, une quantité importante de travaux, théoriques et expérimentaux, ayant pour but de comprendre le diagramme de phase de ces matériaux ont été conduits. Cependant, il n’y a aujourd’hui toujours pas de consensus sur la nature de la phase de laquelle la supraconductivité émerge, appelée pseudogap. Cette phase n’est pas décrite par la théorie des liquides de Fermi et présente de multiples autres instabilités électroniques en compétition qui sont difficiles à réconcilier dans un seul cadre théorique. Dans cette thèse, je présente une nouvelle idée pour décrire le pseudogap et la phase supraconductrice associée en utilisant le principe de la fractionnalisation. L’observation récente d’Onde de Densité de Paires, c’est-à-dire de paires électronélectron modulées dans l’espace, nous apprend que la symétrie par translation est, elle aussi, brisée dans le pseudogap. Notre idée est donc que ces Ondes de Densité de Paires sont fractionnalisées en paires électron-électron uniformes, qui sont à l’origine de l’état supraconducteur, et en paires électron-trou modulées qui sont responsables de la brisure de la symétrie par translation. Cette fractionnalisation a de nombreuses conséquences sur les propriétés électroniques qui correspondent aux observations expérimentales faites dans le pseudogap. La présence de ces paires électron-électron présentant une modulation spatiale peut aussi expliquer certains résultats inhabituels sur le transport électrique dans le régime sur-dopé