Thermoelectricity of strongly correlated compounds under extreme conditions

Thermoélectricité des composés fortement corrélés sous conditions extrêmes

Alexandra Palacio Morales (1)

1 SPSMS - UMR 9001 - Service de Physique Statistique, Magnétisme et Supraconductivité

Thermopower is a technique whose importance is related to the possibility of directly measuring electronic properties of the systems, as it is sensitive to the derivative of the density of states. In this work, the low temperature regime of strongly correlated electron systems has been studied using this technique. For that, a new pressure-field thermopower device was developed, and used, to determine (T,P,H) phase diagrams of the itinerant ferromagnets UCoAl and UGe2, and of the weak antiferromagnet CeRh2Si2. For example, in the case of UCoAl, this same technique was used to analyze the metamagnetic transition from paramagnetic (PM) to ferromagnetic (FM) phases and to study its evolution towards the quantum critical end point. The existence of exotic magnetic excitations in the ground state and around the critical end point were also evidenced. On the compound CeRh2Si2, the suppression of the antiferromagnetic (AF) order by magnetic fields and pressures was explored. A strong change of the Fermi surface at Hc, the field at which the suppression of the AF into the paramagnetic polarized (PPM) phase, was observed. We show that under pressure, the magnetic fluctuations around the critical pressure Pc masked the Fermi surface reconstruction of the AF phase into the PM phase. The analysis of the (T,P,H) phase diagram revealed that the non-ordered phases of this compound (PM and PPM) are different, therefore pressure and field behave as different suppressor mechanisms. In the UGe2 compound, the analysis of its Fermi surface by thermopower quantum oscillations was performed as a last example of the utility and of the importance of this technique. To the best of the author knowledge, this is the first time that this technique was used in heavy fermion systems. A comparison to traditional probes such as de Haas-van Alphen and Shubnikov–de Haas effects was done. We observed a good agreement between them and we explain the advantages and the disadvantages of thermopower quantum oscillations technique over the traditional probes.

Cette thèse porte sous l'étude sous conditions extrêmes (basse température, fort champ magnétique et haute pression) des composés fortement corrélés du type fermions lourds. Trois composés ont été analysés UCoAl, UGe2 et CeRh2Si2, en utilisant principalement de mesures thermoélectriques; une technique récente et très sensible dans le domaine des fermions lourds. À cette fin, de nouvelles dispositives de mesures de pouvoir thermoélectricité sous pression ont été développés au cours de cette thèse.Concernant le composé d'UCoAl, notre étude a permis d'analyser précisément la transition metamagnétique, induite par le champ magnétique, entre la phase paramagnétique (PM) et la phase ferromagnétique (FM) ainsi que, son évolution sous pression. Ainsi, nos mesures ont permis de compléter le diagramme de phase (T,P,H) et notamment, de mettre en évidence la structure magnétique originale qui apparaît sous pression en forme de "wings" pas des mesures thermoélectriques. Une fine analyse de la surface de Fermi de la phase FM2 d'UGe2 a été réalisée grace à l'observation des oscillations quantiques du pouvoir thermoélectrique. Les résultats obtenues ont été comparés aux études conventionnelles des oscillations quantiques comme de "de Haas-van Alphen" (dHvA) et de "Suhbnikov-de Hass" (SdH) effets. Une très bonne accord entre les trois techniques a été constatée. % et montre les avantages d'utilisation des mesures du pouvoir thermoélectrique pour analyser les paramètres microscopiques des fermions lourds.% Les inconvénients de cette technique sont aussi présentés. Finalement, dans le système CeRh2Si2, la suppression du domaine antiferromagnétique (AF) sous champ magnétique Hc ∼ 26T et sous pression P∼1GPa a été étudiée. Un très fort changement de la surface de Fermi à Hc correspondant à la transition de l'ordre AF vers une phase paramagnétique polarisée (PPM), a été observé. Sous pression, des fluctuations magnétiques et une reconstruction de la surface de Fermi apparaissent autour de Pc. Ces fluctuations cachent la nature de la suppression de l'ordre AF vers un ordre paramagnétique (PM). L'étude du diagramme de phase (T,H,P) révèle que les phases PM et PPM sont différentes, cependant des points en commun demeurent.

Mots clés: Heavy fermions; Thermopower; Magnetism; Nernst effect; Quantum criticallity; Electronic correlations

Mots clés: Fermions lourds; Thermoélectricité; Magnétisme; Effect Nernst; Criticalité quantique; Corrélations électroniques

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]

Alexandra Palacio Morales. Thermoelectricity of strongly correlated compounds under extreme conditions. Condensed Matter [cond-mat]. Université de Grenoble, 2014. English. ⟨NNT : 2014GRENY042⟩. ⟨tel-01365881⟩