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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Em geral, o efeito magnetocalórico (EMC) é caracterizado pela variação adiabática da temperatura (ΔTad) e a variação isotérmica da entropia (ΔST) sob variações do campo magnético. Devido as aplicações tecnológicas do EMC na refrigeração magnética, que não apresentam efeitos perigosos para o meio ambiente e tem o potencial para reduzir o consumo de energia, os estudos sobre o EMC tem crescido ao longo dos anos . Neste trabalho, estudamos as propriedades magnéticas e magnetocalóricos da série Gd (1-Y) Pr (Y) Ni2 com Y = 0; 0,25; 0,5; 0,75 e 1 A série dos compostos RNi2 compostos cristalizam na fase de Laves cúbico C15, o que torna o Campo Elétrico Cristalino cúbico um quadro adequado para descrever a anisotropia magnética sobre estes compostos . Além do modelo hamiltoniano inclui contribuições do efeito Zeeman e as interações de troca indireta entre Gd-Gd, Gd-Pr e íons Pr-Pr. Vale a pena notar que o GdNi2 apresenta um arranjo ferromagnético com temperatura de transição de cerca de 78 K e o composto PrNi2 é paramagnético. Os potenciais magnetocalóricos foram calculados e comparados com os dados experimentais. Além disso, investigamos a influência da direção do campo magnético sobre as quantidades magnéticas e no EMC investigada. / In general, the magnetocaloric effect (MCE) is characterized by the adiabatic temperature change, (ΔTad) , and the isothermal entropy change, (ΔST) , under changes of the magnetic field intensity. Due to technological applications of the MCE on magnetic refrigeration, which do not present hazardous effects to the environmental and has the potential to lower energy consumption, the interest on the MCE had grown over the years . In this work, we have studied the magnetic and magnetocaloric properties in the series Gd(1-Y)Pr(Y)Ni2 with Y = 0, 0.25, 0.5, 0.75 and 1. The RNi2 (R = Rare-earth) compounds crystallize in the cubic laves phase, which makes the cubic CEF an appropriate framework to describe the magnetism on these compounds . Besides CEF, the model Hamiltonian includes contributions of the Zeeman effect, and the indirect exchange interactions among Gd-Gd, Gd-Pr and Pr-Pr ions. It is worth noticing that the GdNi2 presents a ferromagnetic arrangement with transition temperature around 78 K and the PrNi2 compound is paramagnetic. The temperature dependences of the magnetocaloric potentials were simulated and compared with the experimental data. Furthermore, the influence of the magnetic field direction on the magnetocaloric quantities was theoretically investigated.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Em geral, o efeito magnetocalórico (EMC) é caracterizado pela variação adiabática da temperatura (ΔTad) e a variação isotérmica da entropia (ΔST) sob variações do campo magnético. Devido as aplicações tecnológicas do EMC na refrigeração magnética, que não apresentam efeitos perigosos para o meio ambiente e tem o potencial para reduzir o consumo de energia, os estudos sobre o EMC tem crescido ao longo dos anos . Neste trabalho, estudamos as propriedades magnéticas e magnetocalóricos da série Gd (1-Y) Pr (Y) Ni2 com Y = 0; 0,25; 0,5; 0,75 e 1 A série dos compostos RNi2 compostos cristalizam na fase de Laves cúbico C15, o que torna o Campo Elétrico Cristalino cúbico um quadro adequado para descrever a anisotropia magnética sobre estes compostos . Além do modelo hamiltoniano inclui contribuições do efeito Zeeman e as interações de troca indireta entre Gd-Gd, Gd-Pr e íons Pr-Pr. Vale a pena notar que o GdNi2 apresenta um arranjo ferromagnético com temperatura de transição de cerca de 78 K e o composto PrNi2 é paramagnético. Os potenciais magnetocalóricos foram calculados e comparados com os dados experimentais. Além disso, investigamos a influência da direção do campo magnético sobre as quantidades magnéticas e no EMC investigada. / In general, the magnetocaloric effect (MCE) is characterized by the adiabatic temperature change, (ΔTad) , and the isothermal entropy change, (ΔST) , under changes of the magnetic field intensity. Due to technological applications of the MCE on magnetic refrigeration, which do not present hazardous effects to the environmental and has the potential to lower energy consumption, the interest on the MCE had grown over the years . In this work, we have studied the magnetic and magnetocaloric properties in the series Gd(1-Y)Pr(Y)Ni2 with Y = 0, 0.25, 0.5, 0.75 and 1. The RNi2 (R = Rare-earth) compounds crystallize in the cubic laves phase, which makes the cubic CEF an appropriate framework to describe the magnetism on these compounds . Besides CEF, the model Hamiltonian includes contributions of the Zeeman effect, and the indirect exchange interactions among Gd-Gd, Gd-Pr and Pr-Pr ions. It is worth noticing that the GdNi2 presents a ferromagnetic arrangement with transition temperature around 78 K and the PrNi2 compound is paramagnetic. The temperature dependences of the magnetocaloric potentials were simulated and compared with the experimental data. Furthermore, the influence of the magnetic field direction on the magnetocaloric quantities was theoretically investigated.

Orientador: Pascoal José Giglio Pagliuso / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T11:57:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_JeanCarlo_M.pdf: 4438731 bytes, checksum: aaba7a375b2b45b638619e944111c41b (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: A ideia de topologia na Física da Matéria da Condensada, apesar de ter surgido com o efeito Hall quântico inteiro, só voltou a ser explorada recentemente na busca de novas fases da matéria depois do surgimento dos Isolantes Topológicos (ITs) 2D. Após a previsão teórica, e a descoberta experimental, foi proposto que esta nova fase poderia ser generalizada para sistemas 3D, em que o volume do material seria isolante com estados metálicos de superfície que possuiriam canais de spin polarizados. Apesar de diversos experimentos e o surgimento de outras fases topológicas da matéria subsequentes, ainda há dúvidas sobre a natureza dos ITs 3D. Os efeitos topológicos mais claros ainda não foram observados de forma inequívoca e reprodutível experimentalmente e ainda seria de extrema valia encontrar técnicas experimentais que possam complementar os mais discutidos experimentos de ARPES. Nesta dissertação foram estudadas duas famílias distintas de materiais propostas como possíveis ITs 3D: os binários Bi2Se3 e Sb2Te3 e o half-Heusler YPdBi. Utilizando a técnica de auto-fluxo e a fusão estequiométrica, os sistemas foram sintetizados dopados com os terras-rara Gd3+, Nd3+ e Er3+ para realizar estudos de ressonância de spin eletrônico (RSE) e do papel dos efeitos de campo cristalino (CEF) - no caso do half-Heusler. Para o ternário YPdBi foram feitos dois estudos. Na família dos half-Heuslers, a ordem topológica surge da relação entre o acoplamento spin-órbita e a hibridização, que está ligada com a mudança do parâmetro de rede, então os efeitos de CEF poderiam estar refletindo a transição entre a trivialidade e a não-trivialidade. A partir das medidas de susceptibilidade magnética em função da temperatura das amostras dopadas com Nd3+ e Er3+ combinadas com os estudos de RSE, foi possível extrair os parâmetros de campo cristalino (CFP) de quarta e sexta ordem. Comparando esses dados com resultados anteriores para o material, supostamente, não-trivial YPtBi, observou-se uma mudança sistemática no sinal dos CFP. Resultados prévios para as amostras de YPtBi dopadas com Nd3+ mostram uma evolução não usual para uma forma de linha difusiva com a potência de micro-onda. Neste trabalho também foi realizado um estudo da forma de linha em função da potência. Apenas a ressonância do Nd3+ para os monocristais de 10% de Nd em YPdBi mostrou uma forma de linha difusiva que evolui com a potência da micro-onda. No caso dos binários Bi2Se3 e Sb2Te3, o objetivo era otimizar a rampa de tratamento térmico para obter monocristais melhores que poderiam permitir a observação de um espectro totalmente resolvido do Gd3+. Após mudanças no crescimento dos monocristais, o espectro totalmente resolvido foi obtido para as amostras de Bi2Se3. No caso do Sb2Te3 apenas uma linha central com a estrutura fina colapsada foi observada. Acompanhando o deslocamento g e a evolução da largura de linha dH da RSE do Gd3+ com a temperatura, o comportamento negativo do deslocamento g para toda a faixa de temperatura indica que elétrons do tipo p são os grandes responsáveis pela formação da superfície de Fermi residual destes sistemas. Um aumento no coeficiente angular de dH em função da temperatura, a taxa Korringa b, foi observado em baixas temperaturas, logo diferentes concentrações de Gd3+ foram utilizadas para estudar este comportamento. Novamente observou-se um comportamento anômalo em baixas temperaturas, o que poderia estar relacionado com a evolução dos CFP com a temperatura. Todos esses resultados foram discutidos levando-se em conta a possibilidade de existência de topologia não-trivial na estrutura eletrônica desses materiais, com foco particular na relação da interação spin-órbita e os efeitos de campo cristalino com a manifestação da topologia não trivial nesses sistemas / Abstract: The idea of topological systems in Condensed Matter Physics, although already explored in the Quantum Hall Effect, has recently become a topic of intense scientific investigation. In particular, great efforts have been dedicated to the search for new quantum phases since the proposal of the Topological Insulators (TIs) in 2D. After the theoretical prediction and the experimental discovery of the TIs in the 2D case, the existence of the Quantum Hall Spin Effect in 3D, 3D TIs, was proposed, where an insulator bulk and metallic surface states with spin polarized channels could be experimentally realized. Although many experiments have been performed, and some groups claimed the direct observation of such new topological phases, there is still a lot of controversy about the nature of the 3D TIs and about the actual microscopic origin of the metallic states on the surface of the studied materials. Other signatures of the topological phases have not been unambiguously and repeatedly measured yet and there is an obvious lack of a supplementary lab technique to be compared to the most used technique to probe these states, which is ARPES. In this work we have studied two different classes of 3D TIs: the binaries Bi2Se3 and Sb2Te3 and the half-Heusler YPdBi. We have been able to grow single crystals of these materials pure and rare-earth doped with Gd3+, Nd3+ and Er3+ using the self-flux technique and the stoichiometric melting. The aim was to use these crystals to study Electron Spin Resonance (ESR) as a potential probe to investigate the existence of the metallic surface states and to explore the possible of the crystalline electrical field (CEF) effects on the formation of the non-trivial electronic structure of these materials. Regarding the YPdBi, our ESR and magnetization studies have revealed that, in the half-Heusler family, the topological order emerges from the interplay between spin-orbit coupling and the hybridization, which is connected with the changes on the lattice parameter. Thus, the CEF effects could reflect the transition from trivial to nontrivial topology. From the magnetic susceptibility data as a function of temperature from the Nd3+ and Er3+ doped samples combined with the ESR studies, it was possible to extract the fourth and sixth order crystal field parameters (CFP). Comparing our data with the previous results from YPtBi, which is a putative non-trivial material, a systematic change in the sign of the CFP was observed. Previous results with the YPtBi Nd-doped samples show an unusual evolution of the Nd3+ ESR line to a diusive-like line shape as a function of the microwave power. In this work we have performed a similar study of the Nd3+ ESR line shape as a function of the microwave power. Only for the single crystal of 10% Nd in YPdBi resonance shows a diffusive-like line shape that evolves with the microwave power. In the case of the binaries Bi2Se3 e Sb2Te3, the aim of this work was to optimize the heat treatment used in previous works of our group to obtain better single crystals that could allow the observation of the full resolved spectra from Gd3+. After many changes in the single crystal growth method, we were able to observe fully resolved Gd3+ ESR spectra in the Bi2Se3 samples. Regarding the Sb2Te3 single crystals, only a single Gd3+ Dysonian ESR line was observed. Following the Gd3+ ESR dg and dH as a function of temperature, the observed negative behavior of dg, in the whole temperature range studied, indicates that p-type electrons are the main source for the formation of the small the Fermi surface of these materials. An increase of the angular coefficient of dH as a function of temperature, the Korringa rate b, at low temperatures was observed and different concentrations of Gd3+ were required to investigate this anomaly. Again this anomalous behavior at low temperatures was observed for the all Gd-doped samples, which could be related to an evolution of CFP with temperature. We discuss our results taking into account the existence of non-trivial topological states in our samples and the role of spin-orbit and CEF effects might have in the formation of such states / Mestrado / Física / Mestre em Física / 132653/2015-0 / CNPQ / CAPES / FAPESP

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Fundação de Apoio a Pesquisa e à Inovação Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE / In this dissertation we have modeled the magnetic and thermal properties of rareearth intermetallic compounds by using a molecular field model. For this purpose we begin with a Hamiltonian that considers the crystalline electric field interaction and the exchange interaction between the rare earth ions treated in the approach molecular field. We developed a computer program to determine the eigenvalues and eigenvectors with which determine the magnetization, internal energy and hence the specific heat of the system. In principle we have considered systems with localized magnetism due to 4f electrons and an anisotropic exchange interaction. To test our program we have performed fittings of magnetization and specific heat data for the three families of intermetallic compounds RNi5 (R = Dy, Er, Ho, Pr, Tb), RRhIn5 (R = Ce, Er, Nd, Pr, Tm) and R3Co4Sn13 (R = La, Ce, Nd, Gd, Pr) and the HoZn and TmCd alloys. In RNi5 ferromagnetic family we got the best fittings, in RRhIn5 antiferromagnetic family the fittings provided molecular field constant very diferent much from the values found in the literature. In R3Co4Sn13 antiferromagnetic family we have gotten reasonable fits, while the TmCd and HoZn compounds the fits wore very good, because they are ferromagnetic. We concluded that even with the limitations, the molecular field model is efficient to study ferromagnetic rare earth intermetallic compounds. / Nesta dissertação modelamos as propriedades magnéticas e térmicas de compostos intermetálicos de terras raras magnéticos usando um modelo de campo molecular. Para este fim partimos de um hamiltoniano que considera a interação de campo elétrico cristalino e a interação de troca entre os íons de terra rara tratada na aproximação de campo molecular. Elaboramos um programa computacional para determinar os autovalores e autovetores com os quais encontramos a magnetização, energia interna e, por conseguinte o calor especifico do sistema. Em princípio consideramos sistemas com magnetismo localizado devido a elétrons 4f e uma interação de troca anisotrópica. Para testar nosso programa realizamos ajustes de dados de magnetização e de calor específico para as três famílias de compostos intermetálicos RNi5 (R= Dy, Er, Ho, Pr, Tb), RRhIn5 (R=Ce, Er, Nd, Pr, Tm) e R3Co4Sn13 (R = La, Ce, Nd, Gd, Pr) e mais os compostos HoZn e TmCd. Na família RNi5 que é ferromagnética conseguimos os melhores ajustes, na família RRhIn5 com ordem antiferromagnética conseguimos alguns bons ajustes mas as constantes de campo molecular diferiram muito dos valores encontrados na literatura. Na família R3Co4Sn13 antiferromagnética conseguimos ajustes razoáveis, enquanto que nos compostos TmCd e o HoZn conseguimos bons ajustes, isto por que eles são ferromagnéticos. Concluímos que mesmo com as limitações o modelo de campo molecular se mostra eficiente para compostos intermetálicos a base de terra rara ferromagnéticos.

Orientadores: Carlos Manuel Giles Antunez de Mayolo, Pascoal Jose Giglio Pagliuso / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-08T18:22:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Serrano_RaimundoLora_D.pdf: 2642603 bytes, checksum: 743f3ac1f8dffb9e6358f1a7958794e6 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho investigamos de forma sistemática as propriedades magnéticas macroscópicas (Susceptibilidade magnética, calor específico, resistividade elétrica) e as estruturas magnéticas de uma nova série de compostos tetragonais isoestruturais Rm Mn In3m+2n (R = Gd, Tb, Sm; M = Rh, Ir; m = 1, 2; n = 0, 1) e exploramos suas relações com as interessantes propriedades físicas encontradas em outros compostos desta família, especialmente quando R = Ce, onde tem sido observado um comportamento do tipo férmions pesados com supercondutividade não convencional (USC). Foram determinadas as estruturas magnéticas dos compostos Gd2IrIn8, GdRhIn5, GdIn3, TbRhIn5, Tb2RhIn8, Smn2IrIn8 em amostras monocristalinas de alta qualidade através da técnica de Difração Magnética de Raios-x (DMRX), e encontramos que todos se ordenam antiferromagneticamente com estruturas comensuráveis abaixo da temperatura de ordenamento (TN) com vetores de propagação (1/2,0,0), (0,1/2,1/2),(1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2), (1/2,1/2,1/2) e (1/2,0,0), respectivamente. Os momentos magnéticos dos íons de terra rara se orientam no plano ab tetragonal no caso dos compostos com R = Gd e Sm2IrIn8 enquanto que no TbRhIn5 a orientação tem lugar ao longo do eixo c. Os compostos tetragonais inéditos a base de Tb foram todos sintetizados e caracterizados magnética e estruturalmente, pela primeira vez, dentro deste trabalho. Eles apresentam maior TN em relação ao composto cúbico TbIn3 (Tb1-0-3, TN ¿32 K), similar ao comportamento apresentado pelos compostos tetragonais de R = Nd. Com relação à direção dos momentos magnéticos no estado ordenado e à evolução de TN ao longo da série, os nossos resultados estão de acordo com um novo modelo teórico de campo médio, desenvolvido por colaboradores, que considera uma interação de primeiros vizinhos Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) isotrópica e efeitos de campo cristalino (CEF) tetragonal aplicado aos compostos com R = Ce, Nd e Tb. A idéia básica de interpretação dos nossos resultados, extraída dos resultados do modelo, é que as diferentes direções de ordenamento encontrados para diferentes R são determinadas por efeitos de CEF e que a variação dos parâmetros de CEF tetragonal determina a evolulção de TN . De acordo com isto, nos compostos com R = Gd, onde o momento angular orbital L = 0, os efeitos CEF não são importantes, TN é aproximadamente igual quando se comparam os compostos tetragonais com o cúbico GdIn3. Nos outros compostos tetragonais, cuja direção dos momentos tem lugar no plano ab (R = Ce e Sm), TN diminui, e aumenta quando a ordem ocorre ao longo do eixo c. O mecanismo de controle, por efeitos de campo cristalino, do comportamento da orientação dos momentos magnéticos e de TN pode, em particular, ser extrapolado aos compostos tetragonais de Ce já que a supressão de TN , combinada com efeitos de hibridização e efeito Kondo, muito importantes nestes casos, podem provocar fortes flutuações magnéticas no plano ab que, pela sua vez, podem ser relevantes no mecanismo de supercondutividade não convencional quase-2D / Abstract: In this work we present a systematic study of the physical properties (magnetic susceptibility, specific heat and electrical resistivity) and the determination of magnetic structures of a new series of isostructural tetragonal compounds RmMnIn3m+2n(R = Gd, Tb, Sm; M = Rh, Ir; m = 1,2; n = 0,1) exploring their relationships with the interesting physical properties found in other compounds of this family, specially when R = Ce compounds, for whose a heavy fermion behavior with unconventional superconductivity (USC) has been reported. The magnetic structures have been determined using high quality single crystalline samples of Gd2IrIn8, GdRhIn5, GdIn3, TbRhIn5, Tb2RhIn8 and Sm2IrIn8 through the resonant x-ray magnetic scattering (RXMS) technique. Our results show that all these systems order antiferromagnetically in commensurate structures below the ordering temperature (TN) with propagation vectors (1/2,0,0),(0,1/2,1/2),(1/2,1/2,0),(1/2,0,1/2),(1/2,1/2,1/2) and (1/2,0,0), respectively. The magnetic moments of rare earth ions are oriented in the tetragonal ab-plane for R = Gd and Sm2IrIn8 compounds, while for the TbRhIn5 they order along the c-axis direction. The tetragonal Tb-based compounds were synthesized and characterized for the first time during this work. In these cases TN is increased when compared to the TN of the cubic TbIn3 (Tb1-0-3, TN¿32 K), as has been found for tetragonal Nd-based compounds. Regarding the magnetic moment directions in the ordered phase and the TN evolution along the series our results agree with those obtained from a mean field theoretical model, developed by collaborators, which considers an isotropic first-neighbors Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction and tetragonal crystal field effects (CEF) applied to Ce-, Nd- and Tb-based compounds. We can conclude from our results that the CEF effects are responsible in determining the magnetic moment directions for different R ions and varying the tetragonal CEF parameters we can also determine the TN evolution along the series. According to this idea, for Gd-based compounds, where the orbital angular momentum L = 0 and CEF effects are not important, TN is approximately the same for the tetragonal compounds when compared with cubic GdIn3. For those cases with ordered moments along any in-plane direction (R = Ce and Sm) TN decreases while it is increased when the moments orientation take place along the c-axis. The CEF effects-driven mechanism to determine the behavior of magnetic moment directions and TN, well explained by the mean field model, could be extrapolated to Ce-based compounds where combined with hybridization and Kondo effects, whose are very important, may create strong in-plane magnetic uctuations that can mediate the quasi-2D unconventional superconductivity in these systems / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

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