Synthesis, physical measurements and modeling of RTSiH intermetallic compounds (R=La, Ce, T=Fe, Ru) with strongly correlated electrons : superconductivity, Kondo coherence and quantum magnetism
Synthèses, mesures physiques et modélisation de composés intermétalliques RTSiH (R=La, Ce, T=Fe, Ru) à électrons fortement corrélés : supraconductivité, cohérence Kondo et magnétisme quantique
Résumé
This thesis work is focused on the study of superconductivity, Kondo effect and quantum magnetism phenomena in strongly correlated electron compounds. We study two families of intermetallic hydrides La1-xCexFeSiH and CeFe1-xRuxSiH 0< x < 1), where the emergence of exotic phenomena is expected from the interaction between cerium f-electrons and transition metal d-electrons. On the one hand, our work includes the synthesis of these compounds, as well as their crystallographic characterization and the study of their physical properties at low temperature. To do so, we have carried out measurements of magnetization, specific heat, electrical resistance and thermoelectric power. These measurements allow us to identify particular states of matter such as superconductivity, Kondo coherence or quantum magnetism. In addition, we use a systematic methodology of energy scale analysis that is based on Fermi liquid theory, as well as on typical energy scales of heavy fermion compounds in the Kondo or magnetic regime. This methodology allows us to plot temperature versus x-substitution rate phase diagrams. For the solid solution La1-xCexFeSiH, our work highlights a quantum phase transition between the superconducting regime of LaFeSiH and the coherent Kondo regime of CeFeSiH, as well as the coexistence of Kondo effect and superconductivity for 0.07< x< 0.20. For the solid solution CeFe1-xRuxSiH, we show a quantum phase transition between the coherent Kondo regime of CeFeSiH and the magnetic order of CeRuSiH.On the other hand, we develop phenomenological models that take into account the crystallographic structure of these compounds, in order to reproduce the observed physical properties and propose other experimental signatures. In particular, we consider a non-local hybridization between the cerium f-orbital and the transition metal d-orbitals. In the context of the cerium-lanthanum substitution that allows to model the properties of the La1-xCexFeSiH solid solution, non-local Kondo coupling considerations allow to explore different symmetries for the fd hybridization as a function of the local crystal field environment for the cerium atoms. Our study leads us to propose a pocket-selective doping effect, where cerium f-electrons will preferentially populate electron pockets or hole pockets, depending on the symmetry considered for the low-energy cerium Kramers doublet. In the context of the study of magnetic fluctuations that allows to model the properties of the CeFe1-xRuxSiH solid solution, non-local Kondo coupling considerations show a large diversity of possible magnetic orders, and in particular allow to reproduce the anisotropic magnetic structure observed on CeRuSiH.Benefiting from the dialogue between solid state chemists and theoreticians, the work done during this thesis shows the usefulness of a transdisciplinary approach in order to propose new syntheses of strongly correlated electron compounds from adapted theoretical considerations.
Ce travail de thèse est centré sur l'étude des phénomènes de supraconductivité, d'effet Kondo et de magnétisme quantique dans des composés à électrons fortement corrélés. Nous étudions deux familles d'hydrures intermétalliques La1-xCexFeSiH et CeFe1-xRuxSiH 0< x < 1), où l'émergence de phénomènes exotiques est attendue à partir de l'interaction entre les électrons f du cérium et les électrons d du métal de transition. D'une part, notre travail comprend la synthèse de ces composés, ainsi que leur caractérisation cristallographique et l'étude de leurs propriétés physiques à basse température. Pour ce faire nous avons réalisé des mesures d'aimantation, de chaleur spécifique, de résistance électrique et de pouvoir thermoélectrique. Ces mesures nous permettent d'identifier des états de la matière particuliers tels que la supraconductivité, la cohérence Kondo ou le magnétisme quantique. De plus, nous utilisons une méthodologie systématique d'analyse d'échelles d'énergie qui est basée sur la théorie des liquides de Fermi, ainsi que sur les échelles d'énergie typiques des composés à fermions lourds dans le régime Kondo ou magnétique. Cette méthodologie nous permet de tracer des diagrammes de phases température versus taux de substitution x. Pour la solution solide La1-xCexFeSiH, notre travail met en évidence une transition de phase quantique entre le régime de supraconducteur de LaFeSiH et le régime Kondo cohérent de CeFeSiH, ainsi que la coexistence d'effet Kondo et de supraconductivité pour 0.07< x< 0.20. Pour la solution solide CeFe1-xRuxSiH, nous montrons une transition de phase quantique entre le régime Kondo cohérent de CeFeSiH et l'ordre magnétique de CeRuSiH.D'autre part, nous développons des modèles phénoménologiques qui prennent en compte la structure cristallographique de ces composés, afin de reproduire les propriétés physiques observées et proposer d'autres signatures expérimentales. En particulier, nous considérons une hybridation non locale entre l'orbitale f du cérium et les orbitales d du métal de transition. Dans le cadre de la substitution cérium-lanthane qui permet de modéliser les propriétés de la solution solide La1-xCexFeSiH, les considérations de couplage Kondo non local permettent d'explorer différente symétries pour l'hybridation fd en fonction de l'environnement local de champ cristallin pour les atomes de cérium. Notre étude nous mène à proposer un effet de dopage sélectif en poches, où les électrons f du cérium vont préférentiellement peupler les poches d'électrons ou les poches de trous, en fonction de la symétrie considérée pour le doublet de Kramers du cérium à basse énergie. Dans le cadre de l'étude des fluctuations magnétiques qui permet de modéliser les propriétés de la solution solide CeFe1-xRuxSiH, les considérations de couplage Kondo non local montrent une grande diversité d'ordres magnétiques possibles, et en particulier permettent de reproduire la structure magnétique anisotrope observée sur CeRuSiH.Bénéficiant du dialogue entre chimistes du solide et théoriciens, les travaux réalisés pendant cette thèse montrent l'utilité d'une approche transdisciplinaire afin de proposer de nouvelles synthèses de composés à électrons fortement corrélées à partir de considérations théoriques adaptées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)