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Etudes effectuées au LNCMI-Toulouse

L’activité “Fermions lourds” s’est fortement développée depuis quelques années au LNCMI-Toulouse. Parmi les résultats obtenus récemment, des études effectuées sur le composé antiferromagnétique CeRh2Si2, sur le composé paramagnétique à « ordre caché » URu2Si2 et sur le composé itinérant ferromagnétique UIr sont résumées ci-dessous.

URu2Si2 est à coup sûr un des systèmes à fermions lourds les plus mystérieux. Malgré plus de vingt ans de recherche intensive (expérience et théorie), la nature du paramètre d’ordre associé à la transition de phase qui a lieu à T0 = 17.5 K est toujours inconnue. D’où l’appellation « phase à ordre caché ». Aujourd’hui, un enjeu est encore d’identifier les échelles d’énergie conduisant à cet état. Une nouvelle génération d’expériences a été menée au LNCMI-Toulouse dans le but d’étudier la magnétorésistivité et l’aimantation de monocristaux de très haute qualité de URu2Si2 dans des champs allant jusqu’à 60 T. Il a été montré que la transition vers l’état « ordre caché » est initialement contrôlée par un « crossover » haute-température à environ 40-50 K, qui est la signature de corrélations électroniques intersites. Dans un champ magnétique appliqué selon l’axe facile c, la destabilisation de cette haute température précède celle de la phase « ordre caché ». Une contribution de la magnétorésistivité dépendant fortement de la qualité des échantillons, i.e., du libre parcours moyen des électrons, confirme que la surface de Fermi est reconstruite sous T0 , mais aussi qu’elle est fortement modifiée dans un champ appliqué selon c, lorsque la polarisation magnétique est significative. Ces nouveaux résultats aideront à comprendre la nature de l’ordre caché dans URu2Si2.

Fig. 1 (gauche) Diagramme de phase et (droite) aimantation et magnétorésistivité d’URu2Si2 lorsqu’un champ magnétique est appliqué selon c.

CeRh2Si2 est un système à fermions lourds ordonné antiferromagnétiquement en dessous de la température de Néel TN = 36 K. Sous pression, l’ordre antiferromagnétique est détruit à pc = 12 kbar et une phase supraconductrice se développe, comme dans de nombreux systèmes à fermions lourds. L’effet d’un champ magnétique selon c induit deux transitions de phase successives, à 25.5 T et 26 T, vers un état paramagnétique polarisé. Nous avons caractérisé les propriétés de CeRh2Si2 à fort champ en combinant mesures de magnétorésistivité, aimantation, couple magnétique, magnétostriction, et dilatation thermique. Le diagramme de phase obtenu (Figure 3) montre que l’état antiferromagnétique est constitué d’au moins trois phases distinctes, séparées par les transitions de phase T1,2 (ou H1,2) et H2,3. Les différentes lignes de transition semblent se rejoindre en un point unique à (24 T, 20 K). Un ajustement de la résistivité par rx,x= r0x,x+ AT2 conduit à la dépendance en champ magnétique du coefficient quadratique A tracée sur la Figure 2 (droite). La nette augmentation de A sur une large gamme de champ magnétique est attribuée à la présence de fortes fluctuations magnétiques, possiblement de nature ferromagnétique. Un fait remarquable est que la dépendance en champ magnétique de A (à pression ambiante) et la dépendance en pression de A (à champ nul) sont très similaires. Le champ magnétique et la pression induisent donc des variations semblables de masse effective, bien que les mécanismes microscopiques (vraisemblablement des fluctuations antiferromagnétiques critiques sous pression et des fluctuations ferromagnétiques critiques sous champ) à l’origine de la masse effective ne soient pas forcément les mêmes.
 

Fig. 2 : Diagramme de phase (H,T) de l’antiferro-aimant CeRh2Si2 dans un champ magnétique H || et dependences en champ et en pression du coefficient A.


Un autre travail a concerné l’étude du système ferromagnétique itinérant UIr. Son aimantation a été mesurée dans des champs allant jusqu’à 60 Tesla (v. Fig. 3). Un comportement critique, qui s’étend étonnamment jusqu’à plusieurs Tesla, a été observé à la température de Curie TC = 45 K et a été analysé à l’aide des relations d’Arrott et de Maxwell. Des exposants critiques ont été trouvés, lesquels ne correspondent à aucun des exposants attendus pour les classes d’universalité usuelles. Il a été obtenu que l’aimantation à basse température Ms = 0.5 µB à environ 3 Tesla augmente nettement à plus hauts champs et converge asymptotiquement avec l’aimantation mesurée à TC. A partir de mesures complémentaires de magnétostriction, les dépendances en pression uniaxiale de TC ont été extraites à l’aide d’une nouvelle méthode (qui est une alternative à la relation d’Ehrenfest), tout comme les dépendances en pression uniaxiale de Ms. Ces résultats devraient servir de base pour la compréhension des fluctuations de spin dans le cas de systèmes ferromagnétiques itinérants anisotropes.

aimantation UIr Fig. 3 : Aimantation d’UIr sous champ magnétique intense

Membres du labo impliqués dans cette activité :

Géraldine Ballon, William Knafo, Marc Nardone, Gernot Scheerer, David Vignolles, Abdelaziz Zitouni


Anciens membres du labo impliqués dans cette activité :

Evert Hannapel


Collaborations :

- Dai Aoki, Jacques Flouquet, Daniel Braithwaite, Georg Knebel, SPSMS/INAC/CEA-Grenoble

- Rikio Settai, Niigata University

- Pascal Lejay, Pierre Haen, Institut Néel, Grenoble (CNRS)

- Christoph Meingast, Frédéric Hardy, IFP/KIT-Karslruhe

- Tatsuma Matsuda, JAEA Tokai


Quelques publications récentes :
- W. Knafo, T. D. Matsuda, D. Aoki, F. Hardy, G.W. Scheerer, G. Ballon, M. Nardone, A. Zitouni, C. Meingast, and J. Flouquet, High-field moment polarization in the ferromagnetic superconductor UCoGe, Physical Review B, 86, 184416 (2012).

- G. W. Scheerer, W. Knafo, D. Aoki, G. Ballon, A. Mari, D. Vignolles, and J. Flouquet, Interplay of magnetism, Fermi surface reconstructions, and hidden order in the heavy-fermion material URu2Si2, Phys. Rev. B 85, 094402 (2012).

- High-field metamagnetism in the antiferromagnet CeRh2Si2, W. Knafo, D. Aoki, D. Vignolles, B. Vignolle, Y. Klein, C. Jaudet, A. Villaume, C. Proust, and J. Flouquet, Phys. Rev. B 81, 094403 (2010).

- Critical scaling of the magnetization and magnetostriction in the weak itinerant ferromagnet UIr, W. Knafo, C. Meingast, S. Sakarya, N.H. van Dijk, Y. Huang, H. Rakoto, J.-M. Broto, and H. v. Löhneysen, J. Phys. Soc. Jpn. 78, 043707 (2009).

- Antiferromagnetic criticality at a heavy-fermion quantum phase transition, W. Knafo, S. Raymond, P. Lejay, and J. Flouquet, Nature Phys. 5, 753 (2009).