Systèmes à fermions lourds à base d'Ytterbium : une instrumentation novatrice avec un enjeux fondamental

par Amalia Fernandez-Panyella

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Daniel Braithwaite.

Soutenue le 06-12-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Service de Physique Statistique, de Magnétisme et de Supraconductivité (équipe de recherche) .

Le président du jury était Claudine Lacroix.

Le jury était composé de Daniel Braithwaite, Rikio Settai.

Les rapporteurs étaient Didier Jaccard, Sebastien Burdin.


  • Résumé

    Cette thèse a pour objet l'étude de 3 systèmes de fermions lourds à base d'Ytterbium, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 et YbRh2Si2, dans des conditions extrêmes de hautes pressions, basses températures et hauts champs magnétiques. Une partie très importante dans ce travail a été le développement d'un dispositif de génération de force à très basses températures permettant une modulation de la pression in-situ adapté à des cellules à enclumes diamant. Pour YbCu2Si2, les mesures de ac-susceptibilité sous pression et sous champ magnétiques ainsi que les mesures d'aimantation sous pression montrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P> 8 GPa est ferromagnétique. L'étude du changement de la valence de l'ion Yb par des mesures de diffusion inélastique en conditions résonantes de rayons X ont permis de clarifier son interaction avec le magnétisme. Même si l'état trivalent est clairement favorisé sous pression, la valence reste inférieure à 3, proche de l'ordre magnétique, même dans les plus hautes pressions et plus basses températures. Nous avons également procédé à une recherche détaillée pour les signatures de metamagnétisme avec des mesures à très haut champ. Dans la deuxième partie de ma thèse, les mesures de ac-calorimétrie et ac-susceptibilité sous pression ont permit d'établir le diagramme de phase (P-T) dans YbCo2Zn20 jusqu'à 14 GPa. En plus, nos résultats suggèrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P>1 GPa est antiferromagnétique. Les forts effets du champ magnétique observées dans les propriétés physiques dans YbCo2Zn20 sont probablement liés à l'interaction entre le champ magnétique et les spins des électrons 4f et non à leur charge car la valence de l'Yb s'avère insensible à l'application d'un champ magnétique de 10 T. La partie finale de cette thèse est consacré à l'étude du diagramme de phase (H-T) sous pression dans YbRh2Si2 pour déterminer l'évolution de la température de l'ordre magnétique en fonctionne de H et P et mieux comprendre les effets liés à ce deux paramètres de contrôle.

  • Titre traduit

    Ytterbium-based heavy-fermion compounds under extreme conditions : new instrumentation to tackle fundamental questions.


  • Résumé

    In this thesis, three Yb-based heavy fermion compounds, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 and YbRh2Si2, are studied under extreme conditions, i.e, high pressure, low temperatures and high magnetic fields. An important part of the work has been the set up of an in-situ tuning pressure device to measure diamond anvil cells at dilution fridge temperatures. This has enable most of the experimental results presented here. In YbCu2Si2 the nature of the pressure-induced magnetic order that arises for P> 8 GPa has been clarified to be ferromagnetic by ac-susceptibility and magnetization measurements under pressure. The interplay of magnetism and valence change has been investigated by measuring the valence of the title compound at high pressures and low temperatures using resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). As expected, pressure favors the trivalent state but the Yb ion valence remains below 3 even at the highest pressure and at low temperatures very close to the onset of the magnetic order. We have also performed a detailed search for signatures of metamagnetism. The second part of my thesis focuses on YbCo2Zn20. We have extended the (P-T) phase diagram up to 14 GPa by ac-calorimetry and ac-susceptibility measurements. Our results shed some light on the nature of the magnetic order that arises for P>1 GPa which is antiferromangetic. The strong field effects observed in the physical properties in YbCo2Zn20 are probably related to the interaction between the magnetic field and the spin of the 4f electrons rather than to their charge as the valence of the Yb ion is insensitive to the application of a magnetic field of 10 T. The final part of this thesis is devoted to the detailed study of the (H-T) phase diagram under pressure in YbRh2Si2 to determine the evolution of the magnetic ordering temperatures as a function of H and P to better understand the interplay of the two control parameters.


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