Quantum oscillations and magnetotransport in strongly correlated electronic systems
Oscillations quantiques et magnétotransport dans des systèmes à fortes corrélations électroniques
Résumé
In this thesis, we are interested in the properties of two families of strongly correlated electron systems (high-temperature superconducting cuprates and heavy fermions) when a strong magnetic field (60 T) is applied. Since their discovery in 1986, the phase diagram of high-temperature superconductors remains enigmatic. One fundamental question concerns the nature of the normal state at low temperature. In the overdoped regime, the material behaves as a reasonably conventional metal, with a large Fermi surface. In the underdoped regime, however, ARPES measurements seem to indicate that the Fermi surface is not closed and consists of disconnected Fermi arcs. There is, so far, no direct convincing experimental observation of a closed and coherent Fermi surface. By performing Hall resistance measurements in two copper oxides (YBCO), we have observed quantum oscillations establishing the existence, at low temperature, of a closed and consistent Fermi surface for underdoped cuprates. The low oscillation frequency reveals a Fermi surface made of small pockets, in contrast to the large cylinder characteristic of the overdoped regime. Moreover, the negative sign of the Hall coefficient in the normal state at low temperature reveals that these pockets are electron-like rather than hole-like. We discuss the possibility that a reconstruction of the Fermi surface causes the appearance of small electron and hole-like pockets. In a second time, we present magnetotransport and Nernst effect measurements in the heavy fermion URu2Si2 . It appears that the mysterious hidden order phase, which appears when T <17.5 K, is characterized by a low carrier density with a high mobility, that could induce a large Nernst effect. The application of a magnetic field above 35 T at low temperature destabilizes the hidden order phase and a more conventional metal seems to be recovered above 40 T.
Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux propriétés électroniques de deux familles de systèmes à fortes corrélations électroniques, les supraconducteurs à haute température critique (cuprates) et les fermions lourds, lorsqu'ils sont soumis à un fort champ magnétique (60 T). Depuis leur découverte en 1986, le diagramme de phase des supraconducteurs à haute température critique reste énigmatique. L'une des questions fondamentales concerne la nature de l'état normal à basse température. Dans la phase surdopée (p>0.16), on retrouve les caractéristiques d'un métal conventionnel, avec notamment une grande surface de Fermi. Dans la phase sous-dopée, les mesures d'ARPES semblent indiquer que la surface de Fermi n'est pas fermée et est seulement constituée d'arcs de Fermi déconnectés et aucune mesure expérimentale n'a permis jusqu'à présent de mettre en évidence une surface de Fermi fermée. En mesurant la résistance de Hall dans deux oxydes de cuivre de type YBCO, nous avons mis en évidence des oscillations quantiques établissant l'existence, à basse température, d'une surface de Fermi fermée et cohérente pour les cuprates sous-dopés. La faible fréquence d'oscillation mesurée indique que la surface de Fermi est constituée de petites poches, en fort contraste avec le grand cylindre observé du côté surdopé. De plus, l'observation d'un effet Hall négatif dans l'état normal à basse température suggère la présence d'électrons dans la surface de Fermi. On discute alors la possibilité qu'une reconstruction de la surface de Fermi entraîne l'apparition de petites poches d'électrons et de trous. Dans un second temps, nous présentons des mesures de magnétotransport et d'effet Nernst dans le fermion lourd URu2Si2 . Il apparaît que la mystérieuse phase ordre caché apparaissant à T <17.5 K soit caractérisée par des porteurs en faible nombre mais très mobiles, pouvant induire l'émergence d'un effet Nernst important. L'application d'un champ magnétique supérieur à 35 T à basse température déstabilise cet ordre et un état métallique plus conventionnel semble être restauré au dessus de 40 T.
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