Etudes de FeSe et CePt2In7 sous conditions extrêmes

par Matthias Raba

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Ilya Sheikin et de Pierre Rodière.

Le président du jury était Klaus Hasselbach.

Le jury était composé de Marc-Henri Julien, Alix McCollam, Rikio Settai.

Les rapporteurs étaient Sébastien Burdin, Elena Hassinger.


  • Résumé

    La supraconductivité non-conventionnelle a récemment été observée à proximité d'un point critique induit sous pression dans CePt$_2$In$_7$ et dans FeSe. Le premier est un fermion lourd tandis que le deuxième fait parti de la famille des supraconducteurs à base de Fer. Cette thèse a pour objectif de contribuer à la compréhension de ces systèmes à électrons fortement corrélés en étudiant les évolutions des structures cristallographiques et magnétiques, ainsi que les surfaces de Fermi sous conditions extrêmes.Tout d'abord, nous présentons une étude de diffraction de neutrons dans la phase magnétique de CePt$_2$In$_7$. Une seule structure magnétique, avec comme vecteur de propagation $textbf{Q} = (0.5,0.5,0.5)$ et $0.45~mu_B$ par atome de Cérium à 2 K, a été détectée en dessous de $T_N = 5.5$ K.Ensuite, des mesures de torque sous champ pulsé de CePt$_2$In$_7$ ne montrent aucun changement des surfaces de Fermi jusqu'à 70 T, bien au-dessus du point critique quantique induit sous champ, attendu à $55-60$ T selon la littérature. Cependant, ces mesures révèlent une claire anomalie métamagnétique à 47 T, très peu dépendante de la température et de l'orientation du champ ainsi qu'une chute des masses effectives vers 50 T. Nous suggérons que ces deux derniers éléments sont la manifestation d'un changement de valence des atomes de Ce de l'ordre de 0.06 électron par atomes de Cérium.L'étude des surfaces de Fermi de CePt$_2$In$_7$ sous pression a nécessité un développement instrumental à partir d'un circuit résonant à base d'une diode tunnel, combinée avec une cellule de pression de type Bridgman. Nous montrons qu'il est tout à fait possible de sonder les surfaces de Fermi à la fois sous champ magnétique et sous pression avec cette technique. Cependant, la fragilité du système résonnant nous amène à considérer des améliorations en vue de fiabiliser la mesure.Enfin, nous analysons une expérience de diffraction de rayons X sur un échantillon de FeSe sous pression hydrostatique. A 20 K, nous quantifions un durcissement de l'axe cristallographique $c$ qui s'opère à 1.9 GPa. A 50 K, outre le passage d'une maille orthorhombique à tétragonale à 1 GPa, nous mettons en évidence qu'une symétrie monoclinique s'installe à partir de 2 GPa, où, selon la littérature, une phase antiferromagnétique apparaît.

  • Titre traduit

    Studies of FeSe and CePt2In7 under extreme conditions


  • Résumé

    Unconventional superconductivity was recently observed in the vicinity of a pressure-induced quantum critical point in CePt$_2$In$_7$ and FeSe. The former is a heavy fermion compound, while the latter is an iron-based superconductor. This PhD thesis aims at improving our understanding of the physics of these newly discovered strongly correlated electron systems. This is achieved by experimental investigation of the evolution of crystal and magnetic structures, as well as of the Fermi surfaces under extreme conditions of high magnetic fields, high pressure, and low temperatures.We have investigated the magnetic structure of CePt$_2$In$_7$ by neutron diffraction. We observed only one magnetic propagation vector $textbf{Q} = (0.5, 0.5, 0.5)$ below $T_N = 5.5$ K. The magnetic moment is estimated at $0.45~mu_B$ per cerium atom at 2 K.Our torque measurements on CePt$_2$In$_7$ in pulsed fields suggest that the Fermi surfaces remain unchanged up to 70 T. This is well above the field-induced quantum critical point, which is expected to occur at $55-60$ T according to previous studies. However, a clear metamagnetic-like anomaly is found at 47 T. The anomaly is almost temperature and field-angle independent. Furthermore, a sudden drop of the effective mass is observed at about the same field. We suggest that the last two observations are most naturally accounted for by a valence crossover, where the cerium valence changes by about 0.06, the order of magnitude expected in Ce-based compounds.In order to study the Fermi surfaces of CePt$_2$In$_7$ under pressure, we developed a tunnel diode oscillator combined with a Bridgman-type pressure cell. We have demonstrated that this set-up is suitable for measuring quantum oscillations both at high magnetic fields and under high pressure. However, the working conditions of the oscillator have to be improved in order to obtain a more reliable system.Finally, we performed an X-ray diffraction experiment on FeSe under hydrostatic pressure. At 20 K, we found a change of the bulk modulus along the $c$ axis at 1.9 GPa. At 50 K, the orthorhombic to tetragonal crystallographic phase transition occurs at 1 GPa. We found evidences that this is followed by the emergence of a monoclinic symmetry above 2 GPa, where an antiferromagnetic phase was previously reported.


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