Etude expérimentale des composés Ce-115 et apparentés sous champs magnétiques intenses

Experimental investigation of Ce-115 and related compounds in high magnetic fields

• Auteur / Autrice : Sanu Mishra
• Direction : Ilya Sheikin, Albin de Muer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 24/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire national des champs magnétiques intenses (Grenoble ; Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Klein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hisatomo Harima, Alix McCollam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joachim Wosnitza, Dai Aoki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Fermi, Surfaces de

Fermions

Mots clés libres

CeRhIn5

CeCoIn5

Champ magnétique intense

Surface de Fermi

Chaleur spécifique

Vitesse de l'ultrason

CeRhIn5

CeCoIn5

High magnetic field

Fermi surface

Specific heat

Ultrasound velocity

Résumé

Le composé à fermions lourds CeRhIn5 constitue un terrain de jeu idéal pour étudier la riche physique des systèmes à électrons fortement corrélés. Il peut facilement être pousser à travers un point critique quantique par pression hydrostatique, dopage chimique et champ magnétique. Alors que le point critique quantique induit par la pression est communément reconnu être de type « suppression de Kondo », celui induit par champ magnétique à Bc = 50T est suggéré être de type « onde de densité de spin ». Cette hypothèse est basée sur l’observation de fréquences de Haas-van Alphen supplémentaires au cœur de l’état antiferromagnétique au-dessus de B* = 30T, où une nouvelle phase de forte anisotropie électronique dans le plan apparaît. Ces nouvelles fréquences ont été interprétées comme la signature d’une soudaine reconstruction de la surface de Fermi due à l’itinérance des électrons f induite par le champ à B*. Nos études détaillées de la dépendance angulaire de l’effet Haas-van Alphen sur CeRhIn5 et son composé de référence sans électrons f, LaRhIn5, établissent le caractère localisé des électrons f de part et d’autre du point critique quantique antiferromagnétique. Ceci élimine toute possibilité de reconstruction de surface de Fermi sous champ, notamment de part et d’autre B*. Nous suggérons que le comportement critique quantique induit sous champ dans CeRhIn5 n’est pas conforme avec les modèles théoriques existants.Une partie de cette thèse est dédiée à la compréhension de l’origine de ce mystérieux état au-dessus de B*. Notre observation d’une claire anomalie de chaleur spécifique à B* suggère qu’il s’agit d’une réelle transition de phase, probablement faiblement du 1er ordre. Par ailleurs, nos études d’ultrasons pour un champ appliqué à 2° de l’axe c montrent des anomalies à B* dans tous les modes acoustiques qui brisent la symétrie, suggérant des ruptures de symétrie supplémentaires. Des anomalies similaires mais de signe opposé ont été observées à la transition méta-magnétique bien connue à Bm = 20 T. Comme par ailleurs, les deux anomalies ne surviennent que dans l’état antiferromagnétique, la transition à B* semble correspondre à une modification induite sous champ de la structure magnétique d’un état commensurable à un état incommensurable. Finalement, en contradiction avec les précédentes études de transport sur des microéchantillons de CeRhIn5, le comportement angulaire de l’anomalie à B* souligne le rôle crucial de la contrainte uni-axiale intrinsèquement présente dans ces derniers.Nos mesures de Haas-van Alphen sur le supraconducteur à fermions lourds apparenté CeCoIn5 montrent des oscillations quantiques anormales entre 20 et 24 T, là ou certaines masses effectives montrent également une dépendance en champ inhabituelle. De façon similaire, nos mesures de magnétorésistance montrent une nette anomalie à 23T, suggérant qu’une instabilité induite sous champ survient dans CeCoIn5 à ce champ.La partie finale de cette thèse est dédiée à la croissance de monocristaux de haute qualité de la famille Ce-218. Les échantillons de Ce2CoIn8 obtenus sont de suffisamment haute qualité pour observer des oscillations quantiques pour la première fois. La surface de Fermi semble être qualitativement similaire à celle de CeCoIn5, mais avec des orbites plus grandes. Certaines des masses effectives sont particulièrement élevées.

The heavy fermion compound CeRhIn5 offers an ideal playground to investigate the rich physics of strongly correlated electron systems. It can be readily tuned to a quantum critical point by hydrostatic pressure, chemical doping, and magnetic fields. While the pressure-induced quantum critical point is long accepted to be of the Kondo-breakdown type, the one induced by the magnetic field at Bc = 50 T was suggested to be of the spin-density-wave type. This assumption is based on the observation of additional de Haas-van Alphen frequencies deep inside the antiferromagnetic state, above B* = 30 T, where a novel phase of enhanced in-plane electronic anisotropy emerges. These additional frequencies were interpreted as a signature of an abrupt Fermi-surface reconstruction due to the field-induced itineracy of the f electrons at B*.Our comprehensive angular-dependent de Haas-van Alphen study of CeRhIn5 and its non-f reference compound LaRhIn5 establishes the localized character of the f electrons inside and outside of the antiferromagnetic phase. This rules out any significant field-induced Fermi-surface reconstruction, particularly across B*. We suggest the field-induced quantum criticality in CeRhIn5 does not conform with the established theoretical models.A part of the thesis is dedicated to understanding the origin of the elusive state above B*. Our observation of a distinct specific-heat anomaly at B* suggests it to be a real phase transition, probably weakly first-order. Further, our ultrasound study for a field applied at 2° from the c axis revealed anomalies at B* in all the symmetry-breaking ultrasonic modes, suggesting additional broken symmetries. Similar anomalies of the opposite sign were observed at the well-established metamagnetic transition at Bm = 20 T. In conjunction with the observation of both anomalies strictly within the antiferromagnetic state, this suggests that the transition at B* corresponds to a field-induced change of the magnetic structure from commensurate to incommensurate. Finally, the angular-dependent behavior of the anomaly at B*, contradictory to the previously reported transport studies on microfabricated samples of CeRhIn5, emphasize the crucial role of the uniaxial strain inherently present in the later.Our de Haas-van Alphen measurements on the related heavy fermion superconductor CeCoIn5 revealed anomalous quantum oscillations between 20 and 24 T, where some of the effective masses also show an unusual field-dependence. Similarly, our magnetoresistance measurements revealed a clear anomaly at 23 T, further suggesting that a field-induced instability occurs in CeCoIn5 at this field.The final part of the thesis is dedicated to growing high-quality single crystals of the Ce-218 family. The samples of Ce2CoIn8 were grown of sufficiently high quality to show quantum oscillations for the first time. The Fermi surface is found to be qualitatively similar to CeCoIn5, but with larger orbits. Some of the effective masses are found to be strongly enhanced.