This thesis investigates the many extraordinary physical properties of the candidate p-wave ferromagnetic superconductors UCoGe and URhGe, and proposes theoretical predictions for p-wave superconductors yet to be discovered. In particular, we carry out angular dependent quantum field theoretical calculations of the thermodynamic H - T phase diagram known as the upper critical field, or more appropriately for ferromagnetic superconductors the upper critical induction, for various p-wave superconducting order parameter symmetries including: The axial Anderson-Brinkman-Morel(ABM) state, the chiral Scharnberg-Klemm (SK) state, and the completely broken symmetry polar state (CBS), as well as for some other states with partially broken symmetry (PBS) superconducting order parameter symmetries. The most notable contribution of the work presented in this thesis is the application of the Klemm-Clem transformations to analytically calculate the full angular and temperature dependencies of the upper critical field for orthorhombic materials, which may prove to be useful to experimentalists in identifying these exotic states of matter experimentally. Second, this work formulates a double spin-split ellipsoidal Fermi surface (FS) model for ferromagnetic superconductors in the normal state, which introduces a field dependence to the effective mass in one crystallographic direction on the dominant Fermi surface and to the chemical potential, and is subsequently applied to the normal state of URhGe to explain theoretically the anomalous specific heat data of Aoki and Flouquet. Extension of this work to understanding the still elusive reentrant high-field superconducting phase of URhGe and the S-shaped upper critical field curve for external magnetic field parallel to the b-axis direction inUCoGe is discussed. Third, this work also presents theoretical fits to the upper critical field data of Kittika et al. for Sr2RuO4 using the helical p-wave states and including Pauli limiting effects of the three components of the triplet pair-spin fixed to the highly conducting layers by strong spin-orbit coupling.

Cette thèse porte sur l'étude du composé supraconducteur ferromagnétique UGe$_2$. La croissance de monocristaux de UGe$_2$ a été réalisée dans un four tétra-arc par la technique du tirage Czochralski. Cette technique a également servie à l'obtention d'autres composés à base d'uranium, notament UCoGe et URu$_2$Si$_2$. Pour la première fois, la structure avec des ailes (wings) du diagramme de phase de UGe$_2$ a été vérifiée expérimentalement. Cette observation est une conséquence d'une température de transition ferromagnétique qui décroît par application d'un paramètre extérieur tel que la pression, et qui devient du premier ordre avant de disparaître. Le changement d'ordre se fait à un point tricritique. D'autres mesures ont porté sur la transition supraconductrice qui se produit à l'intérieur de la phase ferromagnétique. La nature volumique de la supraconductivité a été confirmé et l'accent s'est porté sur son renforcement sous champ magnétique. / Cette thèse porte sur l'étude du composé supraconducteur ferromagnétique UGe$_2$. La croissance de monocristaux de UGe$_2$ a été réalisée dans un four tétra-arc par la technique du tirage Czochralski. Cette technique a également servie à l'obtention d'autres composés à base d'uranium, notament UCoGe et URu$_2$Si$_2$. Pour la première fois, la structure avec des ailes (wings) du diagramme de phase de UGe$_2$ a été vérifiée expérimentalement. Cette observation est une conséquence d'une température de transition ferromagnétique qui décroît par application d'un paramètre extérieur tel que la pression, et qui devient du premier ordre avant de disparaître. Le changement d'ordre se fait à un point tricritique. D'autres mesures ont porté sur la transition supraconductrice qui se produit à l'intérieur de la phase ferromagnétique. La nature volumique de la supraconductivité a été confirmé et l'accent s'est porté sur son renforcement sous champ magnétique.

Cette thèse discute essentiellement sur le champ critique supérieur du supraconducteur ferromagnétique UCoGe. La conductivité thermique et d'autres méthodes expérimentales ont été utilisées pour confirmer les nombreux comportements particuliers de Hc2 dans UCoGe, précédemment observés dans des études de résistivité. Ces caractéristiques, y compris une anisotropie forte et des courbures anormales, ne peuvent pas être interprétées en termes de théories classiques pour Hc2. Au lieu de cela, un phénomène spécifique aux supraconducteurs ferromagnétiques - la dépendance en champ de l'interaction d'appariement doit être considéré. Nous montrons que cet effet peut être analysé de façon cohérente avec des propriétés de la phase normales et peut être aussi comparé quantitativement avec une théorie existante. Ceci conduit à une clarification nette pour le cas de H//c dans UCoGe, et explique en même temps le comportement différent de Hc2 dans UCoGe et URhGe. Ces résultats soutiennent fortement l'origine magnétique de la supraconductivité dans ces systèmes. Pour H//b, nous montrons que certaines observations expérimentales convergentes suggèrent un possible changement d'état supraconducteur induit par le champ magnétique transversal dans UCoGe. Indépendamment du reste de l'étude, le dernier chapitre présente quelques résultats expérimentaux sur la phase normale de UCoGe et sur l'autre système de fermions lourds UBe13. / This thesis mainly discuss the upper critical field of the ferromagnetic superconductor UCoGe.Thermal conductivity and other experimental methods have been used to confirm the numerous particularbehaviors of Hc2 in UCoGe, previously observed in resistivity studies. These features, including the stronganisotropy and the anomalous curvatures, cannot be interpreted in terms of classical theories for Hc2.Instead, a phenomenon specific to the ferromagnetic superconductors - the field dependence of the pairinginteraction, needs to be considered. We show that this effect can be consistently analyzed with normalphase properties, and is quantitatively compared with existing theory. This leads to a net clarificationfor the case of H//c in UCoGe, and at the same timeexplains the different behavior of Hc2 in UCoGe and URhGe. These resultsstrongly support the magnetic origin of superconductivity in these systems. For H//b, we showconvergent experimental observations that suggest a possible change of the superconducting state inducedby the transverse magnetic field in UCoGe. Independent from the rest of the study, the last chapter presents someexperimental results on the normal phase of UCoGe and on the other heavy-fermion system UBe13.

Le sujet de cette thèse est l'analyse du second champ critique supraconducteur (Hc2) ainsi que l'interaction entre la supraconductivité et les points critiques quantiques (PCQ), pour les composés CeCoIn5, URhGe et UCoGe. Dans le composé CeCoIn5, l'étude par résistivité du domaine de liquide de Fermi a permis la localisation précise du PCQ a pression ambiante. Cette analyse permet d'invalider l'hypothèse d'une coïncidence entre Hc2(0) et le PCQ. Dans une deuxième partie, l'évolution sous pression de Hc2 est analysée. Le dôme supraconducteur de ce composé est non-conventionnel avec deux pressions caractéristiques différentes: à ~1.6GPa, la température de transition supraconductrice est maximum alors que c'est à ~0.4GPa que la plupart des grandeurs physiques (maximum de Hc2(0), maximum de la pente dHc2/dT, maximum du saut de chaleur spécifique DC/C, ...) suggèrent la présence d'un PCQ. Nous expliquons cet antagonisme par l'importance des processus de brisure de pairs liés a la proximité du PCQ. Ces deux observations nous permettent de proposer un nouveau diagramme de phase pour CeCoIn5. Dans une troisième partie, les mesures de conduction thermique sur les composés URhGe et UCoGe sont présentées. Elles nous permettent dans un premier temps d'obtenir la transition "bulk" supraconductrice et de confirmer la forme in-habituelle de Hc2 observée en résistivité. La dépendance en températures et en champs de la conduction thermique nous permet d'identifier une contribution non-électronique au transport de chaleur jusqu'aux plus basses températures. D'autre part, nous identifions deux différents domaines supraconducteurs a bas et hauts champs appliqués selon l'axe b. Ces deux domaines sont compatibles avec un modèle de supraconductivité multigaps. Suivant ces observations et des mesures de pouvoir thermoélectrique, nous proposons un modèle de transition de Lifshitz pour ces deux composés. / The subject of this thesis is the analyze of the superconducting upper critical field (Hc2) and the interaction between superconductivity and quantum critical points (QCP), for the compounds CeCoIn5, URhGe and UCoGe. In CeCoIn5, study by mean of resistivity of the Fermi liquid domain allows us to localize precisely the QCP at ambient pressure. This analyze rule out the previously suggested pinning of Hc2(0) at the QCP. In a second part, the evolution of Hc2 under pressure is analyzed. The superconducting dome is unconventional in this compound with two characteristic pressures: at 1.6GPa, the superconducting transition temperature is maximum but it is at 0.4GPa that physical properties (maximum of Hc2(0), maximum of the initial slope dHc2/dT, maximum of the specific heat jump DC/C,... ) suggest a QCP. We explain this antagonism with pair-breaking effects in the proximity of the QCP. With these two experiments, we suggest a new phase diagram for CeCoIn5. In a third part, measurements of thermal conductivity on URhGe and UCoGe are presented. We obtained the bulk superconducting phase transition and confirmed the unusual curvature of the slope dHc2/dT observed by resistivity. The temperatures and fields dependence of thermal conductivity allow us to identify a non-electronic contribution for heat transport down to the lowest temperature (50mK) and probably associated with magnon or longitudinal fluctuations. We also identified two different domains in the superconducting region, These domains are compatible with a two bands model for superconductivity. Thermopower measurements on UCoGe reveal a strong anisotropy to current direction and several anomaly under field applied in the b direction. We suggest a Lifshitz transition to explain our observations in these two compounds.

Les mesures de conduction thermique ont été effectuées à basses températures dans le supraconducteur ferromagnétique UCoGe et dans le composé faiblement antiferromagnétique YbRh2Si2. Les fluctuations magnétiques sont un élément important dans les propriétés de deux composés, et sont responsables d'un canal de chaleur à basses températures. Dans UCoGe, la contribution supplémentaire causée par les fluctuations magnétiques a la même dépendance en champ magnétique que celles vues par RMN. Étonnamment, un nouveau canal de chaleur apparaît à très basses températures. Les mesures dans l'état supraconducteur ont confirmé le caractère multigap de UCoGe. Des mesures de XMCD ont également faites dans UCoGe. Elles ont montré que les états électroniques sont très sensibles au champ magnétique, ce qui donne une nouvelle preuve de sa petite énergie de Fermi. Dans YbRh2Si2, les fluctuations magnétiques sont suspectées d'être responsables d'un canal de chaleur visible à très basses températures, empêchant de pouvoir conclure sur la violation ou la validité de la loi de Wiedemann-Franz au niveau du point critique quantique. Cependant, les résultats peuvent être interprétés sans avoir recours à sa violation. / Thermal conductivity measurements have been performed at low temperatures and under field in the superconducting ferromagnet UCoGe and in the weak antiferromagnet YbRh2Si2. In both systems, the magnetic fluctuations have an important role in their properties, and it appeared that they contribute as a heat channel, seen by thermal conductivity at low temperatures. In UCoGe, the extra contribution due to the magnetic fluctuations have the same field dependence as the one measured by NMR, and, unexpectedly, a new heat channel appears at very low temperatures. Furthermore, thermal conductivity measurements in the superconducting state have confirmed the multigap superconductivity of UCoGe. XMCD measurements have also been performed in UCoGe. The electronic states are very sensitive to the magnetic field, which gives another evidence for its small Fermi energy. In YbRh2Si2, the very low temperature thermal conductivity measurements have shown that an extra contribution appears at very low temperature, which avoids to conclude definitively about the violation or the validation of the Wiedemann-Franz law at the quantum critical point, even if the results can be interpreted supposing its validation.

Title: Electronic properties and structure of selected rare earth and uranium compounds; influence of impurities Author: Jiří Pospíšil Abstract: This thesis is devoted to studies of influence of impurities and/or chemical varieties on magnetic and superconducting properties of selected metallic materials containing rare earth and uranium. The research generally consisted of the defined preparation of studied materials, detailed composition and structure characterisation, experiments focussed on determination of mutually related magnetic, transport and thermal properties followed by data analysis of relations between material composition/quality and material properties. The technology phase was carried out in two ways - 1) preparation of the best pure materials as possible and 2) controlled doping of pure materials. Three main study cases have been chosen: SmPd2Al3 - the representative of the complex magnetism of the Sm3+ ion, the so far unexplored superconductor YPd2Al3 were selected as the RE materials candidates and the controversial ferromagnetic superconductor UCoGe. The key ingredient of the initial technology phase was the refining the commercially available best element metals to the laboratory best achievable purity grade by the unique Solid State Electrotransport (SSE) method. SSE has been also...

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18060号 / 理博第3938号 / 新制||理||1567(附属図書館) / 30918 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 石田 憲二, 教授 前野 悦輝, 教授 松田 祐司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Dans cette thèse, deux composés à fermions lourds ont été étudiés sous pression. L'état fondamental en dessous de T0 = 17.5 K dans URu2Si2 est appelé "ordre caché (HO), parce que le paramètre d'ordre n'a pas encore été trouvé. A 1.5 K, le système devient en plus supraconducteur. Sous pression, le système devient antiferromagnetique (AF) au dessus d'une pression critique. Des mesures Shubnikov-de Haas sous pression montre, que la surface de Fermi ne change pas entre les deux phases. Dans la phase AF, le dédoublement de la maille implique une reconstruction de la surface de Fermi. Vu que celle-ci ne change pas sous pression, ce dédoublement doit avoir lieu déjà dans l'HO. Nos mesures de la dépendance angulaire des fréquences d'oscillation supportent des nouveau calcules de bande dans le cas d'électrons plutôt itinérant. Comme deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié le diagramme de phase sous pression du supraconducteur (SC) ferromagnétique (FM) UCoGe (TC = 2.8 K,Tsc = 0.6 K). Les mesures de résistivité, ac calorimétrie et ac susceptibilité montrent que la phase FM est supprimé a environs 1 GPa mais la phase SC existe jusque dans la phase paramagnétique induite par la pression. Ce diagramme de phase est unique dans la classe des supraconducteurs ferromagnétiques.

Cette thèse porte sur l'étude du composé supraconducteur ferromagnétique UGe$_2$. La croissance de monocristaux de UGe$_2$ a été réalisée dans un four tétra-arc par la technique du tirage Czochralski. Cette technique a également servie à l'obtention d'autres composés à base d'uranium, notament UCoGe et URu$_2$Si$_2$. Pour la première fois, la structure avec des ailes (wings) du diagramme de phase de UGe$_2$ a été vérifiée expérimentalement. Cette observation est une conséquence d'une température de transition ferromagnétique qui décroît par application d'un paramètre extérieur tel que la pression, et qui devient du premier ordre avant de disparaître. Le changement d'ordre se fait à un point tricritique. D'autres mesures ont porté sur la transition supraconductrice qui se produit à l'intérieur de la phase ferromagnétique. La nature volumique de la supraconductivité a été confirmé et l'accent s'est porté sur son renforcement sous champ magnétique.

Le sujet de cette thèse est l'analyse du second champ critique supraconducteur (Hc2) ainsi que l'interaction entre la supraconductivité et les points critiques quantiques (PCQ), pour les composés CeCoIn5, URhGe et UCoGe. Dans le composé CeCoIn5, l'étude par résistivité du domaine de liquide de Fermi a permis la localisation précise du PCQ a pression ambiante. Cette analyse permet d'invalider l'hypothèse d'une coïncidence entre Hc2(0) et le PCQ. Dans une deuxième partie, l'évolution sous pression de Hc2 est analysée. Le dôme supraconducteur de ce composé est non-conventionnel avec deux pressions caractéristiques différentes: à ~1.6GPa, la température de transition supraconductrice est maximum alors que c'est à ~0.4GPa que la plupart des grandeurs physiques (maximum de Hc2(0), maximum de la pente dHc2/dT, maximum du saut de chaleur spécifique DC/C, ...) suggèrent la présence d'un PCQ. Nous expliquons cet antagonisme par l'importance des processus de brisure de pairs liés a la proximité du PCQ. Ces deux observations nous permettent de proposer un nouveau diagramme de phase pour CeCoIn5. Dans une troisième partie, les mesures de conduction thermique sur les composés URhGe et UCoGe sont présentées. Elles nous permettent dans un premier temps d'obtenir la transition "bulk" supraconductrice et de confirmer la forme in-habituelle de Hc2 observée en résistivité. La dépendance en températures et en champs de la conduction thermique nous permet d'identifier une contribution non-électronique au transport de chaleur jusqu'aux plus basses températures. D'autre part, nous identifions deux différents domaines supraconducteurs a bas et hauts champs appliqués selon l'axe b. Ces deux domaines sont compatibles avec un modèle de supraconductivité multigaps. Suivant ces observations et des mesures de pouvoir thermoélectrique, nous proposons un modèle de transition de Lifshitz pour ces deux composés.