Les composés intermétalliques à base de cérium présentent à basse température des propriétés magnétiques, électroniques et thermodynamiques tout à fait fascinantes. Deux interactions majeures entre la bande de conduction et les électrons localisés de la couche 4f entrent en compétition et régissent la physique de ces composés: l'effet Kondo tend à écranter les moments magnétiques 4f alors que les interactions RKKY favorisent plutôt des moments localisés et ordonnés. Un diagramme de phase complexe naît de cette compétition et le comprendre exige une caractérisation complète des niveaux 4f. La dégénérescence des multiplets liés au couplage spin-orbit est levée par les effets de champ cristallin, et les écarts entre les niveaux d'énergie qui en résultent ainsi que les symétries des états fondamentaux et excités doivent être déterminés expérimentalement. Les effets de champ cristallin dans les lanthanides peuvent être sondés par diverses techniques expérimentales dont la susceptibilité magnétique, la diffusion inélastique de neutrons, la spectroscopie par absorption de rayons X ou de photoémission. Cependant, chacune de ces techniques présente des limitations propres qui empêchent une caractérisation précise de ces effets. Nous présentons dans cette thèse les capacités de la technique de diffusion résonante inélastique des rayons X mous (soft-RIXS) à sonder les effets de champ cristallin dans les composés à base de cérium. Les dernières avancées en instrumentation ont permis de repousser les limites de la résolution en énergie jusqu'à 30 meV au seuil M5 du Cérium, suffisant pour séparer les transitions électroniques des plus bas des niveaux 4f. Le composé CeRh2Si2 a été étudié à titre d'exemple. Les énergies des excitations de couplage spin-orbit et de champ cristallin observées expérimentalement fournissent une mesure directe des écarts des niveaux 4f, tandis que la comparaison entre les spectres expérimentaux et des calculs basés sur le multiplet complet dans l'approximation à un ion permet d'identifier sans ambiguïté la symétrie des états de plus basse énergie du champ cristallin. L'orientation des fonctions d'ondes dans les plans ab du cristal peut aussi être déterminée de manière très simple en mesurant la polarisation des photons diffusés de manière inélastique. L'interaction avec les états itinérants peut introduire une variation de l'énergie des niveaux 4f en fonction du vecteur de diffusion q, qui se traduit par des signatures observables dans les spectres de diffusion inélastique résonante de rayons X. Un modèle simple est proposé pour expliquer la variation observée en fonction de q, mais des calculs théoriques plus poussés apparaissent nécessaires pour rendre compte de manière plus exacte de ces variations. L'étude des composés CeCu2Si2 et CeCo2Ge2 montre que la diffusion inélastique des rayons X peut sonder des effets de champ cristallin bien plus faibles ou bien plus importants que ceux observés dans CeRh2Si2. Dans le futur, une meilleure résolution en énergie et des modélisations plus poussées devraient encore améliorer la précision des études des effets de champ cristallin dans les composés de Cérium et autres lanthanides par diffusion inélastique de rayons X. / Cerium intermetallic compounds exhibit fascinating magnetic, electronic and thermodynamic properties at low temperatures. Their physics is governed by two competing interactions between the conduction band and localised 4f electrons: the Kondo effect tends to screen the 4f magnetic moments while RKKY exchange favours ordered local moments. From this competition, a complex phase diagram arises and its understanding requires a full characterisation the 4f levels. The crystal electric field (CEF) effects lift the degeneracy of the spin-orbit multiplets and the resulting energy splittings (tens of meV) as well as the symmetry of the ground and excited states must be determined experimentally. CEF effects in the lanthanides can be studied with a number of experimental probes including magnetic susceptibility, inelastic neutron scattering, X-ray absorption spectroscopy or photoemission spectroscopy. However, each of these techniques has limitations which can prevent an accurate characterisation. This thesis discusses the potential of Resonant Inelastic soft X-ray Scattering (soft-RIXS) to become a new probe of the CEF in cerium compounds. The latest advances in instrumentation have pushed the energy resolution in soft RIXS down to 30 meV at the Ce M5 edge, good enough to resolve the electronic transitions between the lowest lying 4f levels. This is demonstrated using the example of CeRh2Si2 spectra. The observed energies of the spin-orbit and CEF excitations provide a direct measurement of the 4f splittings and the comparison of the experimental spectra with full-multiplet single-ion calculations unambiguously identifies the symmetry of the lowest CEF levels. The orientation of the wave-functions in the crystal ab plane can also be determined in a straightforward manner by measuring the polarisation of the inelastically scattered photons. The interaction with itinerant states can lead to a momentum dependence of the 4f levels' energy and this leaves signatures in the excitation spectra that can be observed in RIXS. A simple model is proposed to explain the observed q dependence but further theoretical work is needed to properly account for the momentum dependence of the 4f excitations. Using the examples of CeCu2Si2 and CeCo2Ge2 it is demonstrated that RIXS can probe CEF splittings that are significantly smaller or much larger than those in CeRh2Si2. With better energy resolution and more advanced modelling RIXS studies of the CEF in cerium and other lanthanide ions will become even more accurate in the future.

Cette thèse se concentre sur l'étude de composés magnétiques géométriquement frustrés où les ions magnétiques se situent aux sommets d'un réseau de tétraèdres partageant leurs sommets: les composés pyrochlores. Deux familles de formule chimique R2M2O7, où R est un lanthanide et M= Ti, Sn, sont particulièrement intéressantes puisqu'elles présentent une grande variété d'états magnétiques exotiques. Premièrement, nous avons étudié le champ cristallin agissant au site de la terre rare dans l'approximation de Stevens où uniquement le terme fondamental est considéré. Un jeu unique de paramètres a été déterminé pour chaque famille considérée grâce à une analyse globale incluant des spectres de neutrons inélastiques de plusieurs composés. Ensuite, nous avons caractérisé avec un large éventail de techniques les propriétés physiques à basse température de Nd2Sn2O7. En dessous de la température de transition Tc=0.91 K, ce composé possède un ordre magnétique à longue portée dans la configuration de spins dite "all-in-all-out". Une persistance de la dynamique de spins a été révélée dans la phase ordonnée, attribuée à des excitations unidimensionnelles de spins. Une dynamique de spins anormalement lente est également reportée dans la phase paramagnétique. Enfin, nous avons apporté quelques informations sur les deux états fondamentaux proposés pour le composé très étudié Tb2Ti2O7: premièrement, l'apparition d'une transition Jahn-Teller à basse température est suggérée mais l'absence d'élargissement des pics de Bragg réfute la présence d'une transition structurale. Enfin ce composé pourrait être un exemple d'une glace de spin quantique mais l'existence d'un plateau d'aimantation n'est pas évident jusqu'à T=20 mK. / This Phd thesis focuses on the study of magnetically frustrated compounds where magnetic ions lie at the vertices of a corner-sharing tetrahedra network: the pyrochlore compounds. The two series of chemical formula R2M2O7, where R is a lanthanide and M=Ti, Sn, are of peculiar interest since they display a large variety of exotic magnetic ground states. First, we have studied the crystal-electric-field acting at the rare earth within the Stevens approximation where only the ground state multiplet is considered. A single set of parameters for each families of interest has been determined through a global analysis including several inelastic neutron scattering spectra of various compounds. Then, we have characterised with a large panel of techniques the low temperature physical properties of Nd2Sn2O7. This compound enters a long-range magnetic order at transition temperature Tc=0.91 K with an ``all-in-all-out'' spin configuration. A persistence of spin dynamics has been found in the ordered phase, ascribed to one-dimensional spin loops excitations. Anomalously slow paramagnetic spin fluctuations are also reported. Finally, we have brought information on the two proposed ground states of the widely studied compound Tb2Ti2O7: first, a Jahn-Teller transition is claimed to occur at low temperatures but no broadening of the Bragg peaks is seen down to T=4 K precluding premises of a structural transition. Secondly, this compound could be a realisation of a quantum spin-ice but no definitive evidence of a magnetisation plateau is found down to T=20 mK.

Les propriétés physiques intriguantes présentées dans certains oxydes complexes de métaux de transition sont attractives non seulement pour la recherche fondamentale, mais pour les applications, par exemple, la supraconductivité, la magnétorésistance colossale, la multiferroïcité. La forte corrélation électronique est à l'origine de ces comportements.La thèse contribue à la fois à l'effort expérimental de détermination de la structure électronique des systèmes fortement corrélés et à l'analyse critique des modèles théoriques les décrivant. Expérimentalement, le travail a porté sur la diffusion inélastique résonante des rayons X pour déterminer les excitations électroniques de basse énergie de l'état fondamental (excitations d-d, transfert de charge, etc.). Les expériences ont été effectuées sur la ligne de lumière SEXTANTS du synchrotron SOLEIL (France), en utilisant le spectromètre AERHA avec un haut pouvoir résolvant. L'analyse des résulats a été focalisée sur la détermination du champ cristallin des métaux de transition en jeu en utilisant la théorie des multiplets avec champ cristallin.Deux systèmes ont été étudiés: les composés multiferroïques RMnO3 (R = Tb, Dy) et un isolant de Mott ferromagnétique Lu2V2O7. / The intriguing physical properties presented in some complex oxides of transition metals draw attention not only in fundamental research but also in applications, for instance, superconductivity, colossal magnetoresistance, multiferroicity. The strong electronic correlation is at the origin of these behaviours. The thesis is a contribution to both the experimental effort to determine the electronic structure of strongly correlated systems and the critical assesment of the theoretical models describing them. Experimentally, the work of is devoted to the investigations of the low-energy excitations (d-d excitations, charge transfer, …) of the ground state by resonant inelastic x-ray scattering. The experiments have been performed on the SEXTANTS beamline of SOLEIL synchrotron (France) using the high resolving power AERHA spectrometer. The analysis of the data has been focused on the determination of the the crystal field of the transition metal involved using the crystal field multiplets theory.Two systems have been investigated: the multiferroics RMnO3 (R = Tb, Dy) and the ferromagnetic Mott insulator Lu2V2O7.

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales. / In the first part of this thesis, we present our muon spectroscopy results of the non-centrosymmetric superconductor LaRhSi3. Zero magnetic field measurements showed no internal field, suggesting at most a very small triplet component in the superconducting wave function. A temperature scan taken in 35G transverse-field geometry showed a phase transition at Hc1. The asymmetry of the muon relaxation spectrum measured at 20mK and field of 150G, which is between the lower and upper critical fields, shows a faster relaxation rate compared to the spectrum obtained at 4K, a behaviour expected in the presence of vortices in the type II superconductor. However, the temperature dependence of the relaxation rate begins to increase all the way to a temperature twice Tc of LaRhSi3 in a field of 150G. In the second part of this document, we present the interpretation of inelastic neutron scattering by crystalline electric fields. These measurements were carried out on powder samples of frustrated quantum magnets SrHo2O4 and SrDy2O4. Using Stevens operators method, we determined the level scheme du to crystalline electric field effects using a point charge model and fitted it to the experimental data. For the SrDy2O4 we found a ground state that appears to be composed of four quasi-accidental degenerate states that carry a non zero magnetic moment even though susceptibility measurements did not indicate magnetic order above 50mK. For the SrHo2O4, the ground state is a pair with a 6.98(8)$\mu_B$ magnetic moment. This lat value fots with experimental data.

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales. / In the first part of this thesis, we present our muon spectroscopy results of the non-centrosymmetric superconductor LaRhSi3. Zero magnetic field measurements showed no internal field, suggesting at most a very small triplet component in the superconducting wave function. A temperature scan taken in 35G transverse-field geometry showed a phase transition at Hc1. The asymmetry of the muon relaxation spectrum measured at 20mK and field of 150G, which is between the lower and upper critical fields, shows a faster relaxation rate compared to the spectrum obtained at 4K, a behaviour expected in the presence of vortices in the type II superconductor. However, the temperature dependence of the relaxation rate begins to increase all the way to a temperature twice Tc of LaRhSi3 in a field of 150G. In the second part of this document, we present the interpretation of inelastic neutron scattering by crystalline electric fields. These measurements were carried out on powder samples of frustrated quantum magnets SrHo2O4 and SrDy2O4. Using Stevens operators method, we determined the level scheme du to crystalline electric field effects using a point charge model and fitted it to the experimental data. For the SrDy2O4 we found a ground state that appears to be composed of four quasi-accidental degenerate states that carry a non zero magnetic moment even though susceptibility measurements did not indicate magnetic order above 50mK. For the SrHo2O4, the ground state is a pair with a 6.98(8)$\mu_B$ magnetic moment. This lat value fots with experimental data.

Le but de ce travail était d'apporter des éléments de réponse dans le débat toujours non clos<br />de la non supraconductivité du matériau PrBa2Cu3O7 ( Pr123), en regard de tous les autres<br />composés de la série des cuprates de terres rares supraconducteurs de type Y123.<br />Une bibliographie très complète a permis d'abord de cerner les nombreuses questions en<br />suspens et les contradictions existantes dans la littérature.<br />Une série d'échantillons PrxY1-xBa2Cu3Oy (y = 6-7) ont été élaborés et soigneusement<br />caractérisés tant du point de vue de la structure et de la morphologie que de la stoechiométrie et<br />du taux d'oxygène. L'étude approfondie des propriétés magnétiques (susceptibilité et<br />aimantation) et thermiques (dilatation et chaleur spécifique) de ces échantillons ainsi que<br />d'autres, fournis par d'autres laboratoires, a permis de faire la part des effets dû au taux<br />d'oxygène et de ceux dû a la stoechiométrie et aux substitutions. En particulier le<br />comportement magnétique de l'ion Pr3+ est peu influencé par la substitution de Y, alors que le<br />taux d'oxygène affecte surtout les interactions d'échanges. Ceci est confirmé par le calcul des<br />effets de champ cristallin qui montre par ailleurs que bon nombre de spéculations antérieures<br />sont à revoir, comme par exemple la signification réelle de la partie constante de la<br />susceptibilité.<br />Enfin, l'étude des composés avec l'yttrium (Y123) et d'autres terres rares (Dy123 et Ho123)<br />dans plusieurs états d'oxydations (y= 6, 6.5 et 7) montre l'importance de la relation entre le taux<br />et le désordre des oxygènes et le comportement magnétique du cuivre, non seulement dans les<br />plans CuO2, mais surtout dans les chaînes CuO. Ces dernières étant sans doute à l'origine des<br />remontées de susceptibilité et des faibles composantes de type ferromagnétiques observées à<br />basse température dès que le nombre d'oxygènes y est différent de 7 .<br />Cette étude apporte un éclairage nouveau sur cette série de composés et donne de nouvelles<br />pistes pour la compréhension de l'interdépendance entre magnétisme et supraconductivité dans<br />les supraconducteurs à haute température critique.

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