Nernst effect in correlated systems : study of superconducting fluctuations in NbxSi1−x and of electronic orders in PrFe4P12
L'effet Nernst dans les systèmes corrélés : étude des fluctuations supraconductrices dans NbxSi1-x et des ordres électroniques dans PrFe4P12
Résumé
Although the Nernst effect was poorly used since its discovery in 1886, it acquired recently an important place in the field of strongly correlated systems.In this PhD. work, we use the Nernst effect to study two examples of correlated systems, the superconductor NbxSi1−x and the heavy fermion PrFe4P12.A study of superconducting amorphous thin films of Nb0.15Si0.85 shows that, above the superconducting transition, the Nernst signal observed is in perfect agreement with the theoretical prediction of Ussiskhin, Sondhi and Huse (USH) within the limit of weak magnetic field and close to Tc. The USH theory, based on the existence of short lived Cooper pairs above Tc, directly connects the Nernst coefficient to the zero field correlation length. This correlation length sets the size of the fluctuating Cooper pairs. More generally, the Nernst signal is shown to be determined by a unique length at arbitrary temperature and magnetic field. Consequently, the USH theory appears to be the low field limit of amore general theory which would connect the Nernst coefficient to the correlation length. These results show that the Nernst signal observed above Tc until very high temperature (30 × Tc) and very high magnetic field (3 × Bc2) in amorphous films of NbxSi1−x is generated by fluctuating Cooper pairs. The second study, carried out on the heavy fermion compound PrFe4P12, enabled us to characterize the phases appearing in this material at low temperature. The exceptional amplitude of the Nernst effect observed in the ordered phase at low magnetic field of PrFe4P12 is the consequence of three independent factors : a low carriers density, an increase in the effective mass and a large mean free path. This behavior is characteristic of a semi-metallic heavy fermion. The important increase in the thermoelectric power in the ordered phase is revealing of an important destruction of the Fermi surface. The phase which appears in high field for the direction [111] seems also related to a reorganization of the Fermi surface, in a less important way though, with a non Fermi liquid behavior. The sign change of the Nernst coeficient with the onset of the ordering at high magnetic field appears to be the consequence of a metamagnetic transition.
L'effet Nernst, bien que peu exploité depuis sa découverte en 1886, a acquis récemment une place importante dans le domaine des électrons corrélés. Au cours de cette thèse, nous avons utilisé l'effet Nernst afin d'étudier deux exemples de systèmes corrélés, un supraconducteur NbxSi1-x et un fermion lourd PrFe4P12. Dans l'étude des films amorphes supraconducteurs de Nb0.15Si0.85, le signal Nernst observé est en parfait accord avec la prédiction théorique de Ussiskhin, Sondhi et Huse (USH) dans la limite de faible champ magnétique et près de Tc. La théorie USH qui se fonde sur l'existence de paires de Cooper au temps de vie fini au-dessus de Tc, relie directement le coefficient Nernst à la longueur de corrélation à champ nul, c-à-d la taille des paires de Cooper fluctuantes. L'étude approfondie des données a montré que, de façon plus générale, le signal Nernst est déterminé par une seule longueur, la longueur de corrélation à toute température et tout champ magnétique. La théorie USH n'est que la limite bas champ d'une théorie plus générale qui relierait le coefficient Nernst à la longueur de corrélation. Ces résultats démontrent que le signal Nernst observé au-dessus de Tc jusqu'à très haute température (30 xTc) et jusqu'à très haut champ magnétique (3 X Bc2) dans les films amorphes de Nb0.15Si0.85 est généré par les fluctuations supraconductrices de type paires de Cooper fluctuantes. La seconde étude que nous avons effectuée dans le composé fermion lourd PrFe4P12 nous a permis de caractériser les phases qui apparaissent dans ce matériau à basse température. L'amplitude exceptionnelle de l'effet Nernst observée dans la phase ordonnée à bas champ magnétique est la conséquence de trois facteurs indépendants : une faible densité de porteurs, une augmentation de la masse effective et un grand libre parcours moyen. Ce comportement est caractéristique d'un fermion lourd semi-métallique. L'augmentation importante du pouvoir thermoélectrique dans la phase ordonnée est révélatrice d'une destruction importante de la surface de Fermi. La phase qui apparaît à haut champ magnétique pour la direction [111] semble également liée à une restructuration de la surface de Fermi, bien que moins importante, associée à un comportement non liquide de Fermi. Le changement de signe de l'effet Nernst lors de l'apparition de la phase à haut champ magnétique pourrait s'interpréter comme le signe d'une transition métamagnétique.