Études spectroscopiques des systèmes Kondo à base de cérium et d'ytterbium

Spectroscopic studies of cerium and Ytterbium-based Kondo systems

• Auteur / Autrice : Bodry Tegomo Chiogo
• Direction : Daniel Malterre, Ashish Chainani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Émilie Gaudry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Malterre, Olivier Isnard, Sébastien Burdin, Amélie Juhin, Alessandro Nicolaou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Isnard, Sébastien Burdin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de densité, Théorie des

Spin

Valence (chimie théorique)

Kondo, Effet

Excitation nucléaire

Spectroscopie électronique

Mots clés libres

Spectroscopies électroniques

Excitations de charge

Effet Kondo

Valence intermediaire

Excitations de spin

Onde de densité de charge

Electronic spectroscopies

Charge excitations

Kondo effect

Intermediate valence

Spin excitations

Charge density wave

Résumé

Les composés de cérium et d'ytterbium sont des systèmes qui présentent des propriétés magnétiques, électroniques et thermodynamiques exceptionnelles à basse température, tels que l'effet Kondo, les fermions lourds, la valence intermédiaire et des ondes de densité de charge. Ces propriétés sont dues aux interactions électron-électron très fortes des états f et à l'hybridation des états f avec les électrons de conduction. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous étudions la structure électronique de l'YbPd, un composé cubique à haute température, qui présente des ondes de densité de charge (CDW) incommensurable et commensurable dans en dessous de T_1 = 130 K et T_2 = 105 K, respectivement. En dessous de 105 K, les sites magnétique Yb^{3+} et non magnétique Yb^{2.6+} sont disposés alternativement le long de l'axe c, en une structure tétragonale présentant un ordre de valence. La spectroscopie de photoémission de rayons X durs (HAXPES) des états 3d de l'Yb montre des caractéristiques Yb^{2+} et Yb^{3+} indépendantes de la température au-dessus de T_1, et un changement de valence des deux sites cristallographiques d'Yb dans la phase CDW. Des calculs des spectres HAXPES au seuil 3d de l'Yb avec un modèle à une impureté d'Anderson simplifié montrent un bon accord avec la dépendance en température de la valence et fournissent les températures de Kondo des deux sites d'Yb. Les résultats indiquent une évolution de la valence intermédiaire dans la phase cubique à un ordre CDW statique à longue portée dans la phase tétragonale. Nous proposons que le mécanisme Kondo est à l'origine de l'onde de densité de charge. La diffusion inélastique résonante des rayons X est une technique très efficace pour étudier les excitations élémentaire dans une large variété de systèmes tels que les excitations de transfert de charge, les excitations de champ cristallin et de spin-orbite. Dans la deuxième partie de ce travail, le RIXS combiné avec des simulations à base du modèle à une impureté d'Anderson et la théorie des multiplets a été utilisé pour l'étude des composés de cérium avec différentes températures de Kondo T_K. Nous avons démontré que toutes les excitations de charge observées en les spectres de photoémission et photoémission inverse combinés peuvent être mises en évidence par la spectroscopie RIXS simplement en faisant varier l'énergie du photon incident autour du seuil M_5 du cérium. Nous discutons également de la dépendance drastique de la structure f^0 dans les spectres RIXS en fonction de la polarisation et de la forte dépendance en température de la structure de type fluorescence, qui rappelle la dépendance à la température de la résonance de Kondo.

Cerium and ytterbium compounds are systems that exhibit outstanding magnetic, electronic, and thermodynamic properties at low temperatures, such as the Kondo effect, heavy fermions, intermediate valence, and charge density waves. These properties are due to the very strong electron-electron interactions of the f states and the hybridization of the f states with the conduction electrons. In the first part of this thesis work, we investigate the temperature-dependent electronic structure of YbPd, a Kondo mixed-valent cubic compound at high temperature, which exhibits incommensurate and commensurate charge-density-wave (CDW) ordering below T_1 = 130 K and T_2 = 105 K, respectively. Below 105 K, magnetic Yb^{3+} and nonmagnetic Yb^{2.6+} are arranged alternatively along the c axis, in a tetragonal structure exhibiting valence order. Hard x-ray photoemission spectroscopy of Yb 3d states show temperature-independent Yb^{2+} and Yb^{3+} features indicating single-Yb site dynamic valence fluctuations above T_1, and a clear temperature dependent valence change of the two crystallographic Yb sites in the CDW phase. Simplified single-impurity Anderson model calculations of the Yb 3d states show good agreement with the temperature-dependent valency change and provide site-dependent Kondo temperatures. The results indicate an evolution from dynamic mixed-valence in the cubic phase to long-range static CDW order in the tetragonal phase, which is driven by the difference in Kondo energies of the two phases. Resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) is a very efficient technique to study elementary excitations in a large variety of systems, such as charge transfer excitations, the crystal field, and spin-orbit excitations. In the second part of this work, we investigated cerium compounds with different Kondo temperatures using RIXS at Ce M_5-edge combined with simulation using the full multiplet theory and the single impurity Anderson model. We demonstrated that all the charge excitations observed in combined photoemission and inverse photoemission can be evidenced by RIXS spectroscopy just by varying the incident photon energy around the Ce M_5-edge. We also discuss the drastic polarization dependence of the f^0 structure in RIXS spectra and the strong temperature dependence of the fluorescence-like structure, which is reminiscent of the temperature dependence of the Kondo resonance.