Une caractérisation complète du champ cristallin dans les réseaux Kondo à base de Cérium par diffusion inélastique résonante de rayons X

Complete characterisation of the crystal electric field in Ce Kondo lattices with resonant inelastic soft X-ray scattering

• Auteur / Autrice : Andrea Amorese
• Direction : Nicholas Brookes, Kurt Kummer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 31/03/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : European synchrotron radiation facility (Grenoble, Isère, France ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Isnard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Severing
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gerrit van der Laan, Liu Hao Tjeng

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kondo, Effet

Champ cristallin, Théorie du

Cérium -- Composés

Diffusion inélastique

Mots clés libres

Terres rares

Champ cristallin

Rixs

Diffusion résonante inélastique des rayons X

Kondo

Cérium

Rare earths

Crystal field

Rixs

X ray scattering

Kondo

Cerium

Résumé

Les composés intermétalliques à base de cérium présentent à basse température des propriétés magnétiques, électroniques et thermodynamiques tout à fait fascinantes. Deux interactions majeures entre la bande de conduction et les électrons localisés de la couche 4f entrent en compétition et régissent la physique de ces composés: l'effet Kondo tend à écranter les moments magnétiques 4f alors que les interactions RKKY favorisent plutôt des moments localisés et ordonnés. Un diagramme de phase complexe naît de cette compétition et le comprendre exige une caractérisation complète des niveaux 4f. La dégénérescence des multiplets liés au couplage spin-orbit est levée par les effets de champ cristallin, et les écarts entre les niveaux d'énergie qui en résultent ainsi que les symétries des états fondamentaux et excités doivent être déterminés expérimentalement. Les effets de champ cristallin dans les lanthanides peuvent être sondés par diverses techniques expérimentales dont la susceptibilité magnétique, la diffusion inélastique de neutrons, la spectroscopie par absorption de rayons X ou de photoémission. Cependant, chacune de ces techniques présente des limitations propres qui empêchent une caractérisation précise de ces effets. Nous présentons dans cette thèse les capacités de la technique de diffusion résonante inélastique des rayons X mous (soft-RIXS) à sonder les effets de champ cristallin dans les composés à base de cérium. Les dernières avancées en instrumentation ont permis de repousser les limites de la résolution en énergie jusqu'à 30 meV au seuil M5 du Cérium, suffisant pour séparer les transitions électroniques des plus bas des niveaux 4f. Le composé CeRh2Si2 a été étudié à titre d'exemple. Les énergies des excitations de couplage spin-orbit et de champ cristallin observées expérimentalement fournissent une mesure directe des écarts des niveaux 4f, tandis que la comparaison entre les spectres expérimentaux et des calculs basés sur le multiplet complet dans l'approximation à un ion permet d'identifier sans ambiguïté la symétrie des états de plus basse énergie du champ cristallin. L'orientation des fonctions d'ondes dans les plans ab du cristal peut aussi être déterminée de manière très simple en mesurant la polarisation des photons diffusés de manière inélastique. L'interaction avec les états itinérants peut introduire une variation de l'énergie des niveaux 4f en fonction du vecteur de diffusion q, qui se traduit par des signatures observables dans les spectres de diffusion inélastique résonante de rayons X. Un modèle simple est proposé pour expliquer la variation observée en fonction de q, mais des calculs théoriques plus poussés apparaissent nécessaires pour rendre compte de manière plus exacte de ces variations. L'étude des composés CeCu2Si2 et CeCo2Ge2 montre que la diffusion inélastique des rayons X peut sonder des effets de champ cristallin bien plus faibles ou bien plus importants que ceux observés dans CeRh2Si2. Dans le futur, une meilleure résolution en énergie et des modélisations plus poussées devraient encore améliorer la précision des études des effets de champ cristallin dans les composés de Cérium et autres lanthanides par diffusion inélastique de rayons X.

Cerium intermetallic compounds exhibit fascinating magnetic, electronic and thermodynamic properties at low temperatures. Their physics is governed by two competing interactions between the conduction band and localised 4f electrons: the Kondo effect tends to screen the 4f magnetic moments while RKKY exchange favours ordered local moments. From this competition, a complex phase diagram arises and its understanding requires a full characterisation the 4f levels. The crystal electric field (CEF) effects lift the degeneracy of the spin-orbit multiplets and the resulting energy splittings (tens of meV) as well as the symmetry of the ground and excited states must be determined experimentally. CEF effects in the lanthanides can be studied with a number of experimental probes including magnetic susceptibility, inelastic neutron scattering, X-ray absorption spectroscopy or photoemission spectroscopy. However, each of these techniques has limitations which can prevent an accurate characterisation. This thesis discusses the potential of Resonant Inelastic soft X-ray Scattering (soft-RIXS) to become a new probe of the CEF in cerium compounds. The latest advances in instrumentation have pushed the energy resolution in soft RIXS down to 30 meV at the Ce M5 edge, good enough to resolve the electronic transitions between the lowest lying 4f levels. This is demonstrated using the example of CeRh2Si2 spectra. The observed energies of the spin-orbit and CEF excitations provide a direct measurement of the 4f splittings and the comparison of the experimental spectra with full-multiplet single-ion calculations unambiguously identifies the symmetry of the lowest CEF levels. The orientation of the wave-functions in the crystal ab plane can also be determined in a straightforward manner by measuring the polarisation of the inelastically scattered photons. The interaction with itinerant states can lead to a momentum dependence of the 4f levels' energy and this leaves signatures in the excitation spectra that can be observed in RIXS. A simple model is proposed to explain the observed q dependence but further theoretical work is needed to properly account for the momentum dependence of the 4f excitations. Using the examples of CeCu2Si2 and CeCo2Ge2 it is demonstrated that RIXS can probe CEF splittings that are significantly smaller or much larger than those in CeRh2Si2. With better energy resolution and more advanced modelling RIXS studies of the CEF in cerium and other lanthanide ions will become even more accurate in the future.