Criticalité quantique ferromagnétique dans les composés ternaires à base d'uranium URhSi, URhAl et UCoAl

Ferromagnetic quantum criticality in the uranium-based ternary compounds URhSi, URhAl, and UCoAl

• Auteur / Autrice : Tristan Combier
• Direction : Jean-Pascal Brison, Dai Aoki, Georg Knebel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 27/02/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique statistique, magnétisme et supraconductivité (Grenoble ; 1990-2015)
• Jury : Président / Présidente : Klaus Hasselbach
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Kenji Ishida, Manuel Brando

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fermions

Matière condensée

Ferromagnétisme

Mots clés libres

Composés d'uranium

Électrons corrélés

Ferromagnétisme

Criticalité quantique

Métamagnétisme

Fermions lourds

Uranium compounds

Correlated electrons

Ferromagnetism

Quantum criticality

Metamagnetism

Heavy fermions

Résumé

Dans cette thèse, on étudie la criticalité quantique ferromagnétique dans trois composés ternaires à base d'uranium, par des mesures thermodynamiques et de transport sur des échantillons monocristallins, à basse température et sous haute pression. URhSi et URhAl sont des systèmes ferromagnétiques itinérants, tandis que UCoAl est un système paramagnétique étant proche d'une instabilité ferromagnétique. Tous ont une phase ordonnée de type Ising. Dans le composé orthorhombique URhSi, on montre que la température de Curie diminue lorsqu'un champ magnétique est appliqué perpendiculairement à l'axe facile d'aimantation, et une transition de phase quantique est attendue autour de 40~T. Dans le système hexagonal URhAl, on établit le diagramme de phase pression--température pour la première fois, lequel indique une transition de phase quantique vers 5~GPa. Dans le composé isostructural UCoAl, on étudie la transition métamagnétique par des mesures d'aimantation, d'effet Hall, de résistivité et de dichroïsme circulaire magnétique des rayons X. On observe des phénomènes de relaxation magnétique intrigants, avec des sortes de marches. L'effet Hall et la résistivité ont été mesurés à des températures de réfrigérateur à dilution, sous pression hydrostatique jusqu'à 2,2~GPa, et sous champ magnétique jusqu'à 16~T. La transition métamagnétique se termine sous pression et champ magnétique au niveau d'un point critique quantique terminal. Dans cette région, il se produit une forte augmentation de la masse effective, et une différence intrigante entre champ montant et descendant apparaît dans la résistivité transverse. Ce pourrait être la signature d'une nouvelle phase, éventuellement reliée aux phénomènes de relaxation observés dans les mesures d'aimantation, et résultant de frustrations au sein du réseau quasi-Kagomé que forment les atomes d'uranium dans cette structure cristalline.

In this thesis we explore the ferromagnetic quantum criticality in three uranium-based ternary compounds, by means of thermodynamical and transport measurements on single crystal samples, at low temperature and high pressure. URhSi and URhAl are itinerant ferromagnets, while UCoAl is a paramagnet being close to a ferromagnetic instability. All of them have Ising-type magnetic ordering. In the orthorhombic compound URhSi, we show that the Curie temperature decreases upon applying a magnetic field perpendicular to the easy magnetization axis, and a quantum phase transition is expected around 40~T. In the hexagonal system URhAl, we establish the pressure--temperature phase diagram for the first time, indicating a quantum phase transition around 5~GPa. In the isostructural compound UCoAl, we investigate the metamagnetic transition with measurements of magnetization, Hall effect, resistivity and X-ray magnetic circular dichroism. Some intriguing magnetic relaxation phenomena are observed, with step-like features. Hall effect and resistivity have been measured at dilution temperatures, under hydrostatic pressure up to 2.2 GPa and magnetic field up to 16~T. The metamagnetic transition terminates under pressure and magnetic field at a quantum critical endpoint. In this region, a strong effective mass enhancement occurs, and an intriguing difference between up and down field sweeps appears in transverse resistivity. This may be the signature of a new phase, supposedly linked to the relaxation phenomena observed in magnetic measurements, arising from frustration on the quasi-Kagome lattice of uranium atoms in this crystal structure.