The study of cuprate high-temperature superconductors has undergone a recent resurgence due to the discovery of charge order in several families of cuprate materials. While its existence is now well established, little is known about its microscopic origins or its relationship to high-temperature superconductivity and the pseudogap. The aim of the research presented in this thesis is to address these questions. In this thesis I will report on the use of spectroscopic-imaging scanning tunnelling microscopy (SI-STM) to visualise the short-ranged charge density wave (CDW) in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ and NaxCa₂₋ₓCuO₂Cl₂. Building on previous measurements of the intra unit-cell electronic structure of cuprates, I introduce sub-lattice segregated SISTM to individually address the atomic sub-lattices in the CuO₂ plane with spatial phase sensitivity. Using this technique I establish that the CDW in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈+x and NaxCa₂₋ₓCuO₂Cl₂ has a previously unobserved d-symmetry form factor, where a breaking of rotational symmetry within the unit cell is modulated periodically in space. Towards identifying a mechanism of CDW formation, I establish that the amplitude of CDW modulations in the electronic structure are maximal at the pseudogap energy-scale and that these modulations exhibit a spatial phase difference of π between filled and empty states. Together with the doping evolution of the CDW wave-vector this highlights the role of the low-energy electronic structure of the pseudogap regime in CDW formation. To elucidate the relationship between the CDW and the superconducting condensate I will introduce nanometer resolution scanned Josephson tunnelling microscopy (SJTM). In this approach the Cooper pair (Josephson) tunnelling current between a Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ sample and a scan-able Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ₓ nano-flake STM tip is used to directly visualise the superconducting condensate. I will report the observation of a periodic modulation in the Cooper pair condensate at the same wave-vector as the CDW, the first direct detection of a periodically modulating condensate in any superconductor.

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'interaction entre la supraconductivité et une onde de densité de charge (ODC). Dans la théorie standard, la température critique d’un matériau supraconducteur est favorisée principalement par deux paramètres : une grande densité d’états au niveau de Fermi (nF), et un fort couplage électron-phonon. Cependant, un fort couplage électron-phonon favorise aussi l’apparition d’une ODC, ce qui réduit nF et rivalise ainsi avec la supraconductivité.Notre démarche a consisté à étudier deux composés où supraconductivité et ODC coexistent, et dans lesquels on peut faire disparaître l’ODC grâce à un paramètre externe : pression ou substitution. Le premier composé, 2H-NbSe2, présente une ODC en dessous de 33 K à pression ambiante. Celle-ci coexiste avec la supraconductivité en dessous de 7 K. Sous pression, l’ODC disparaît au-dessus de 4.6 GPa, sans que la température critique varie notablement. L’ODC disparaît aussi en remplaçant le sélénium par du soufre : 2H-NbS2 est ainsi un supraconducteur sans ODC (Tc = 6 K), et peut donc servir de composé témoin pour une étude comparative. Dans le second composé, Lu5Ir4Si10, une ODC est présente en dessous de 77 K à pression ambiante. Celle-ci disparaît sous pression au-dessus de 2 GPa, tandis que la température critique saute simultanément de 4 à 9 K. Pour étudier ces composés, j’ai utilisé trois techniques expérimentales : la mesure de la dispersion des phonons à basse température (300-2 K) et sous pression (0-16 GPa) par diffusion inélastique des rayons X, la mesure de la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique grâce à un oscillateur à diode tunnel et la mesure des champs critiques via des microsondes Hall.Dans la première partie, je présente la dépendance en température de la dispersion des phonons dans 2H-NbS2. Nous observons la présence d’un phonon mou dont l’énergie reste toujours positive, même extrapolée à température nulle. Ce composé est ainsi à la limite d'une instabilité ODC. De plus, nous montrons qu’il est relativement unique, car seuls les effets anharmoniques empêchent l’amollissement complet des phonons. Je présente ensuite la dépendance en température et en pression de la dispersion des phonons dans 2H-NbSe2. Ces expériences montrent qu’un mode de phonon mou persiste jusqu’à 16 GPa, même quand l'état à température nulle n'est pas l’ODC. La dépendance en température de ce phonon mou est alors similaire à celle de 2H-NbS2. Dans les deux composés, ces phonons mous semblent liés à la présence d'un couplage électron-phonon à la fois fort et anisotrope. Nous suggérons qu’il s’agit d’un élément essentiel pour expliquer leurs propriétés supraconductrices.Dans la seconde partie, je mesure l'anisotropie et la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique dans l’état supraconducteur de 2H-NbS2 et Lu5Ir4Si10. La dépendance en température de la densité superfluide dans 2H-NbS2 confirme la présence d'un gap supraconducteur réduit dont l'amplitude est très proche de celle mesurée dans 2H-NbSe2. Les phonons mous et le gap réduit étant présents dans 2H-NbS2 et 2H-NbSe2, nous prouvons expérimentalement qu'il faut raisonner en termes de renforcement de la supraconductivité par les phonons mous plutôt qu'en termes d’interaction avec l'état fondamental (ODC ou métal). Nous proposons que ce renforcement soit lié à l'anisotropie du couplage électron-phonon.En revanche, cet effet n’est pas général aux composés où supraconductivité et ODC coexistent. Les propriétés supraconductrices de Lu5Ir4Si10 sont en effet bien décrites par le modèle BCS couplage faible. Ceci est peut être lié aux caractéristiques de l’ODC : la présence d’une hystérésis montre que la transition ODC est du premier ordre. D’autre part, les mesures de diffraction X sous pression et à basse température révèlent que cette ODC est multiple : en plus de la périodicité 1/7, nous observons une seconde périodicité de 1/20. / This thesis presents an experimental study of the interaction between superconductivity and a charge density wave (CDW). In the standard theory, the critical temperature of a superconductor is principally enhanced by two parameters: a large density of states at the Fermi level (nF) and a strong electron-phonon coupling. However, a strong electron-phonon coupling also favors the appearance of a CDW, which reduces nF and therefore competes with superconductivity.Our strategy was to study two compounds in which superconductivity and CDW coexist, and in which the CDW can be suppressed through an external parameter: pressure or substitution. The first compound is 2H-NbSe2, it presents a CDW below 33 K at ambient pressure. This CDW coexists with superconductivity below 7 K. Under pressure, the CDW disappears above 4.6 GPa, meanwhile the critical temperature slowly changes. The CDW also disappears when replacing selenium by sulfur: 2H-NbS2 is a superconductor without CDW (Tc=6 K), it can therefore serve as a “test compound” for a comparative study. The second compound is Lu5Ir4Si10, it presents a CDW below 77 K at ambient pressure. Under pressure, this CDW disappears above 2 GPa, meanwhile the critical temperature abruptly jumps from 4 to 9 K.For this study, I used three experimental techniques: inelastic x-ray scattering at low temperature (300-2 K) and under pressure (0-16 GPa) to measure the dispersion of phonons, a tunnel diode oscillator to measure the temperature dependence of the magnetic penetration depth, and Hall microprobes to measure the first and second critical fields. In the first part, I present the temperature dependence of the phonon dispersion in 2H-NbS2. We observe a soft phonon that always remains at positive energies, even extrapolated to zero temperature. Thus, this compound is on the verge of CDW instability. It is also relatively unique, since we show anharmonicity is the only effect that prevents the complete softening of the phonons.Then I present the temperature and pressure dependence of the phonon dispersion in 2H-NbSe2. These experiments show that a soft phonon persists up to 16 GPa, even if the ground state is not a CDW. The temperature dependence of this soft phonon is then similar to that of 2H-NbS2. In both compounds, these soft modes seem to be related to the strength and anisotropy of the electron-phonon coupling. We suggest this is a fundamental element to explain their superconducting properties.In the second part, I measure the anisotropy and temperature dependence of the magnetic penetration depth in the superconducting state of 2H-NbS2 and Lu5Ir4Si10. The temperature dependence of the superfluid density in 2H-NbS2 confirms the presence of a reduced superconducting gap. Its amplitude is very similar to the one measured in 2H-NbSe2. The soft modes and the reduced gap being present in both 2H-NbSe2 and 2H-NbS2, we prove experimentally that the enhancement of superconductivity is related to the soft modes rather than to the nature of the ground state (CDW or metal). We suggest this enhancement is due the anisotropy of the electron-phonon coupling.However, this effect is not general to all compounds where superconductivity and CDW coexist. The superconducting properties of Lu5Ir4Si10 are indeed well fitted by the BCS model in the weak coupling limit. This may be related to the characteristics of the CDW: the presence of hysteresis shows that the CDW transition is first order. In addition, under pressure and at low temperature, x-ray diffraction measurements indicate that the CDW is multiple: aside from the periodicity of 1/7, we observe a second periodicity of 1/20.

Les matériaux conducteurs de basse dimensionnalité électronique peuvent présenter des transitions vers des états électroniques complexes tels que la supraconduction, les Ondes de Densité de Spins (ODS) et les Ondes de Densité de Charges (ODC). La coexistence de plusieurs de ces instabilités au sein d’un même matériau a donné lieu à une recherche active de nouveaux systèmes conducteurs quasi-bidimensionnels. Dans cette thèse nous avons choisi de nous intéresser à la famille des Bronzes MonoPhosphate de Tungstène à tunnels pentagonaux (MPTBp), de formule chimique (PO2)4(WO3)2m ; l’un des principaux intérêts réside dans la possibilité de contrôler directement la dimensionnalité du matériau et sa densité de porteurs en faisant varier la valeur de m (2 ≤ m ≤ 14). Dans la littérature il a été montré que certains termes de cette famille (m=4, 5, 6) admettent des états ODC successifs alors que d’autres (m=10) présentent des ordres de type ferro électrique ; l’objectif de cette thèse est alors de montrer l’effet de la dimensionnalité du matériau sur l’apparition et la stabilité de ces états électroniques dans les MPTBp. Pour cela, des mesures de transport électronique, des études des structures modulées incommensurables et commensurables par diffraction des rayons X avant et après chaque transition et des mesures de diffusion inélastique ont été effectuées sur plusieurs termes à valeur de m pair. Dans ce travail nous avons pu montrer l’existence d’un état ODC pour les termes m=2, 4, 6, 8 et 10, caractérisé par la formation d’amas de tungstène dans certaines régions du matériau, accompagné, pour les m=8 et 10, de l’installation progressive d’une mise en ordre de type anti-ferroélectrique des déplacements des atomes de tungstène. Un phénomène de dépiégeage d’ODC a été observé pour le terme quasi-unidimensionnel m=2, ce qui n’avait encore jamais été reporté chez les MPTBp. Un couplage électron-phonon fort a pu être mis en évidence pour les hauts termes (m ≥ 8) à la fois via les analyses structurales, l’observation de transitions résistives du premier ordre mais également par des mesures de diffusion inélastique des rayons X. Pour ces hauts termes, une transition de type ordre-désordre est alors à envisager. / Conductive materials with low electronic dimensionality can present some transitions toward complex electronic states as superconductivity, Spin Density Waves (SDW) and Charge Density Waves (CDW). The coexistence of several of these instabilities in the same material leads to bustling investigations on new quasi-bidimensional conductors. In this thesis, we chose to study the MonoPhosphate Tungsten Bronzes with pentagonal channels family (MPTBp), of chemical formula (PO2)4(WO3)2m ; one of the main interests of this family is the possibility to directly control the compound’s dimensionality and its carriers density by varying m value (2 ≤ m ≤ 14). In the literature, it’s been shown that some MPTBp members (m=4, 5, 6) present successive CDW states whereas others (m=10) show ferroelectric-type orders. The aim of this thesis is thus to bring into light the effect of the material’s dimensionality on the appearance and the stability of these electronic states in the MPTBp family. In this way, transport measurements, X-Rays diffraction studies of the commensurate and incommensurate modulated structures below and above each transition and inelastic scattering measurements were done on several members with even value of m. In this work we reveal the existence of a CDW state for the m=2, 4, 6, 8 and 10 members, characterized by the formation of tungsten clusters in some areas of the crystal. For the m=8 and 10 members, the CDW is accompanied by a gradual installation of an anti-ferroelectric-like ordering of the tungsten atoms displacements. A CDW depinning phenomenon was observed for the quasi-unidimensional m=2 member, which has never been reported before in the MPTBp family. A strong electron-phonon coupling was evidenced for the high terms of the family (m ≥ 8) by structural analysis, first order resistive transitions observation and by X-Rays inelastic scattering measurements. For these high terms, an order-disorder transition must be considered.

The understanding of new emerging unconventional ground states is a great challenge for experimental and theoretical solid-state physicists. New ground states are developing, where different energy scales compete, leading to a high sensitivity of the system to external tuning parameters like doping, pressure or magnetic field. The exploration of superconductivity proved to be a fascinating and challenging scientific undertaking. Discovered by H. Kammerlingh Onnes in 1911, prior to the development of the quantum theory of matter, superconductivity was defying a microscopic theory for more than four decades until the BCS theory was formulated in 1957 by J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer. Superconductivity of most of the simple metals or metallic alloys is well described within the frame of the BCS scenario, however, in the last thirty years numerous new superconducting materials were found to exhibit exotic properties not accounted for by the BCS theory. Among them are included the high-Tc compounds, the heavy-fermion superconductors and as well the organic superconductors. It was the purpose of this work to probe different facets of superconductivity in heavy-fermion and in low-dimensional metallic compounds. This dissertation is divided into six chapters. After this introduction, in Chapter 1 we will outline the basic theoretical concepts later needed for the analysis of the experimental results. In Chapter 2 we briefly introduce the experimental techniques with a special focus on the new pressure cells developed during this thesis and used for the measurements presented in Chapters 3 to 5. In Chapter 3 the possible realization of the inhomogeneous superconducting FFLO state in CeCoIn5 is studied by specific heat measurements under hydrostatic pressure, while in Chapter 4 the results of AC specific heat experiments on UBe13 under uniaxial pressure are presented. The ambient pressure properties as well as results obtained by resistivity measurements under hydrostatic pressure on the one-dimensional metallic compounds TlxV6S8 are discussed in Chapter 5. At the end, Chapter 6 summarizes and concludes this thesis.

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Ce manuscrit a pour sujet principal la diffraction par rayons X des matériaux ondes de densité de charges (ODC). Nous avons étudié le cristal quasi-1D NbSe3 ainsi que le quasi-2D TbTe3. Plusieurs grands instruments ont été utilisés pour cette étude, le synchrotron ESRF de Grenoble sur la ligne ID01 ainsi que le laser à électron libre LCLS à Stanford. Premièrement, grâce à la cohérence du faisceau X à LCLS, nous avons pu observer une perte de cohérence transverse dans NbSe3 lors de l’application d’un courant électrique au-dessus d’un certain seuil ainsi qu’une compression longitudinale de l’ODC. Ensuite, à l’ESRF, nous avons utilisé un faisceau X focalisé au micromètre par une Fresnel zone plate pour scanner l’ODC localement par diffraction sur NbSe3 puis ensuite sur TbTe3. Lorsqu’un courant est appliqué sur l’échantillon, nous avons observé une déformation transverse indiquant que l’ODC est bloquée au niveau de la surface de l’échantillon dans NbSe3. Dans le cas de TbTe3, l’ODC tourne sous courant présentant un cycle d’hystérésis lorsque le courant passe continument de positif à négatif. Nous avons aussi pu constater dans plusieurs régions, toujours pour TbTe3, la création de défauts d’irradiation localisés induisant une compression-dilatation de l’ODC. Dans une dernière partie théorique, nous montrons comment la théorie du transport électrique de l’ODC par un train de solitons portants chacun une charge ainsi que la prise en compte du blocage de l’ODC sur la surface de l’échantillon que nous avons vu expérimentalement permet de comprendre plusieurs mesures de résistivité en fonction des dimensions de l’échantillon trouvées dans la littérature. Nous présentons ensuite plusieurs idées pour expliquer du blocage de l’ODC sur les surfaces au niveau microscopique et proposons l’hypothèse d’une ODC commensurable en surface (et incommensurable dans le volume). / The main subject of this manuscript is the X-ray diffraction of charge density wave (CDW) materials. We studied the quasi-1D NbSe3 crystal and the quasi-2D TbTe3. Several large instruments facilities were used for this study, the ESRF synchrotron in Grenoble on the ID01 line and the LCLS free electron laser in Stanford. First, thanks to the coherence of the X-beam at LCLS, we were able to observe a loss of transverse coherence in NbSe3 when applying an electrical current above a certain threshold as well as a longitudinal compression of the CDW. Then, at the ESRF, we used an X-ray beam focused on the micrometer scale by a Fresnel zone plate to scan the CDW locally by diffraction on NbSe3 and on TbTe3. When a current is applied to the sample, we observed a transverse deformation indicating that the CDW is pinned on the sample surface in NbSe3. In the case of TbTe3, the CDW rotates under current showing a hysteresis cycle when one is continuously changing from positive to negative current. We have also observed in several regions, in TbTe3, the creation of localized irradiation defects inducing a compression-dilation of the CDW. In a last theoretical part, we show how the theory of electric transport in the CDW state by a train of charged solitons, as well as taking into account the CDW pinning on the surface of the sample that we have seen experimentally, allows us to understand several resistivity measurements, found in the literature, made on samples with different dimensions. Finally, we present several ideas for an explanation of the CDW pinning at the surfaces on a microscopic level and propose the hypothesis of a commensurate CDW on the surface (and incommensurate in volume).

This work presents a comprehensive study on single crystalline LaPt2Si2, in which superconductivity and a charge density wave (CDW) coexist. The usage of density functional theory (DFT) modeling and Inelastic Neutron Scattering has been the primary form of investigation, in order to determine all the characteristic features of the sample taken under consideration. From the results one can observe that the Fermi surface nesting is the primary contributor for the CDW wavevector ~qCDW = (1/3, 0, 0). In addition, the phonon density of states present two typical energy levels, with soft modes in the Pt3-Pt4 layer coherent with the presence of a CDW. The superconducting temperature has been estimated at Tc = 1.6 K. The experimental data from the inelastic instrument High Resolution Chopper Spectrometer (HRC) at the J-PARC neutron source are in good agreement with the theoretical simulations, showing the same energy levels for the polarization phonon modes (from 4 to 18 meV and from 32 to 42 meV). / Denna rapport presenterar en omfattande studie av enkristalls LaPt2Si2 i vilken supraledning och en laddningsdensitetsvåg (CDW) samexisterar. Användandet av DFT-modellering och neutronspridning har varit de huvudsakliga undersökningsmetoderna, för att bestämma alla karakteristiska drag hos det undersökta provet. Från resultaten kan observeras att den inneslutna Fermiytan är den huvudsakliga bidragaren till CDW-vågvektorn~qCDW = (1/3, 0, 0). Vidare visar den närvarande fonontillståndsdensiteten två typiska energinivåer, med mjuka lägen i Pt3-Pt4-skiktet, som stämmer överens med närvaron av en CDW. Den supraledande temperaturen har uppskattats till Tc = 1.6 K. Experimentella data från det inelastiska instrumentet HRC vid J-PARCs neutronkälla stämmer väl överens med teoretiska simuleringar, som visar samma energinivåer för polarisationsfononlägena (från 4 till 18 meV och från 32 till 42 meV).

Au cours de cette thèse, nous étudions la compétition entre les états onde de densité de charge (ODC) et supraconducteur dans le composé multi-bandes à deux chaines TTF[Ni(dmit)2]2. Nous avons réalisé des mesures de résistivité, de pouvoir thermoélectrique et de conductivité thermique sous pression hydrostatique jusqu’aux basses températures. A basse pression, deux ondes de densité de charge détectées par mesures de rayons X et observées par nos mesures de résistivité transverse sont associées aux bandes 1D LUMO et HOMOI de la chaine Ni(dmit)2. A 12kbar, la fusion de ces deux instabilités est associée à l’emboîtement des bandes LUMO avec les bandes HOMOI à travers le point Γ de la première zone de Brillouin. A 18kbar et sur un intervalle de 5-6kbar, on observe un pic de commensurabilité attribué au vecteur d’emboîtement commensurable 2kF = 1/3b*.La supraconductivité est observée à partir de 2kbar et jusqu’à 22kbar avec une température critique 0.6K qui augmente avec la pression et est corrélée à la variation des températures de transition ODC. La supraconductivité est associée à la bande 2D HOMOII du Ni(dmit)2. Les mesures de champ magnétique critique ont permis de donner des informations sur l’évolution de la texture de coexistence métal- ODC en fonction de la pression. Elles mettent aussi en évidence une supraconductivité non conventionnelle avec des nœuds dans le gap.Ces résultats nous ont permis de revisiter le diagramme de phase Température-Pression de ce composé qui s'est révélé beaucoup plus riche que ce qui avait été rapporté jusqu’à maintenant. / In this thesis, we studied the competition between charge density wave (CDW) and superconductivity in the 1D multiband compound TTF[Ni(dmit)2]2. Resistivity, thermoelectric power and thermal conductivity measurements have been performed under pressure and down to very low temperatures.At low pressure, two charge density waves, detected by X ray measurements and observed in our transverse resistivity measurements, are associated to the 1D bands LUMO and HOMO of the Ni(dmit)2 chains. At 12kbar, the fusion of those two CDWs is associated to the nesting of the LUMO bands with the HOMO ones through the Γ point of the Brillouin zone. At 18 and around 5-6kbar, we observe a commensurability pic due to the commensurate wave vector 2kF=1/3b*.From 2 to 22kbar, we observe a superconductive transition at a critical temperature 0.6K which grow with pressure and is correlated to critical temperature of CDW transition. The superconductivity is associated to the 2D band HOMOII of the Ni(dmit)2 chains. Measurements of the upper critical field gave information about the evolution with pressure of metal-charge density wave regions. They bring out the unconventional nature of the superconductivity and the presence of node in the gap.Thanks to those results, we obtained a more rich Temperature – Pressure phase diagram of the TTF[Ni(dmit)2]2 than the existing one.

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Nous avons étudié les propriétés de transport des ondes de densité de charge dans le composé quasi-unidimensionnel NbSe3, à l'échelle micronique et submicronique (jusqu'à 300nm). Nous avons mis au point un process de salle blanche pour la réalisation de microstructures à onde de densité de charge, connectées électriquement par des contacts ohmiques. Cela nous permit de réaliser des expériences sur l'effet d'une force perpendiculaire au mouvement d'une onde de densité de charge et d'observer que la réduction du champ seuil de dépiégeage mesuré précédemment par un autre groupe était liée à des inhomogénéités d'injection de courant et non à une augmentation de l'effet de taille géométrique et de la gravure sur les propriétés des échantillons comme le champ seuil ou la température de transition. De plus, nous avons effectué des mesures couplées transport/rayons X à haute résolution à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Nous avons observé un accroissement de la cohérence spatiale du condensat quand la cohérence temporelle augmente et nous avons étudié différents mécanismes d'interaction entre deux ondes de densité de charge.