>Magister Scientiae - MSc / In the past few decades, the studies of f-electron materials have revealed unusual physical properties such as Fermi-liquid, non-Fermi-liquid behaviour at low temperatures, heavy- Fermion behaviour, valence fluctuation, Kondo effect, superconducting and magnetic ordering. These materials include binary and ternary compounds and alloys with Cerium (Ce) or Ytterbium (Yb) based rare earth elements or Uranium (U) based actinide element. In these systems the localized magnetic moments formed by Ce, Yb or U ions transform the electronic properties of these compounds leading to quasiparticles with masses in excess to 1000 times the bare electron mass. These materials are known as heavy-fermion materials. Two well known heavy – Fermion compounds with Ce based rare earth elements of interest in this thesis are CePt₂Si₂ and CeCu₅In. The effect of substituting Ce with moment bearing Tb or Dy in these two compounds, are reported through measurements of electrical resistivity, magnetic susceptibility and magnetization. The three alloy systems (Ce₁₋ₓREₓ)Pt₂Si₂ (RE = Tb, Dy) and (Ce₁₋ₓTbᵪ)Cu₅In under investigation in the present thesis, was synthesized and characterized by x-ray diffraction. The alloy systems (Ce₁₋ₓREₓ)Pt₂Si₂ (RE = Tb, Dy, 0≤ ᵡ ≤1) formed a single phase in the P4/nmm tetragonal CaBe₂Ge₂ – type structure across the whole series while the (Ce₁₋ₓTbᵪ)Cu₅In alloy system formed a single phase in the Pnma orthorhombic CeCu₆ – type crystal structure up to 40% Ce substitution. The physical properties of these systems is reported and discussed through the measurements of electrical resistivity, magnetic susceptibility and magnetization. The variables of this study are: the doping concentration of Tb or Dy, the applied magnetic field and the sample temperature. Electrical resistivity studies for all the systems revealed coherence effect at Ce – rich alloys (0≤ ᵡ ≤0.2) and single-ion Kondo scattering with further increased RE concentration ( ᵡ ≥ 0.3). The magnetic property studies indicate antiferromagnetic ordering only for the (Ce₁₋ₓREₓ)Pt₂Si₂ alloy system in the concentration range 0.7≤ ᵡ ≤ 1. The present thesis is comprised of six chapters, which are arranged as follows: The first chapter deals with the theoretical background of the physical properties of Ce based intermetallics compounds and alloys. Experimental techniques constitutes chapter II and explains the techniques used in this study. The theoretical overview of the two parent compounds of interest in this thesis (CePt₂Si₂ and CeCu₅In) is presented in chapter III. The fourth and the fifth chapters of this study deals with results and discussion. The thesis is completed with a conclusion in chapter six.

CeCu_2Si_2 was the first heavy-fermion compound showing signatures of bulk superconductivity (T_c = 0.5 K). Further observations have put in evidence the correlations between superconductivity, magnetic order, Kondo physics, and quantum critical phenomena. In spite of the interest generated, a systematic study of such correlations was hampered by strong sample dependences. Fortunately, the inherent complexity associated to the stoichiometric composition has been recently understood. The availability of single-crystals with well-defined properties has thus reignited the interest in CeCu_2Si_2 as a window to novel phenomena, such as unconventional superconductivity. The present work summarizes the results of my doctoral research. It exemplifies the importance not only of high-quality materials, but also of suitable experimental techniques. A first step in this project involved the design of angle-dependent techniques in the milli-kelvin range, namely: electrical resistivity and thermal conductivity. It comprised the development of a rotational stage, the construction of sample holders, and the implementation of controlling and measuring components. In the second part of the project, electrical- and thermal-transport measurements on CeCu_2Si_2 were performed. Power-law behavior below T_c in the thermal conductivity suggests the presence of lines of nodes in the gap function. Also, the non-vanishing extrapolated residual terms (k_00/T ) support the presence of a residual density of states. The nodes are broadened by potential scattering, which appears to be significant in CeCu_2Si_2. The scattering hinders the determination of the symmetry of the order parameter and might be responsible for the observed isotropic angle dependence of the thermal conductivity. In contrast, angle-dependent measurements of the upper critical field exhibit a four-folded behavior, which also points towards the presence of nodes. By comparing with a weak-coupling model including the effects of Pauli limiting and anisotropic Fermi velocity, the results point towards a d_xy-wave symmetry of the order parameter. Such results represent the first angle-dependent measurements supporting a d-wave symmetry in CeCu_2Si_2.

Cette thèse a pour objet l'étude de 3 systèmes de fermions lourds à base d'Ytterbium, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 et YbRh2Si2, dans des conditions extrêmes de hautes pressions, basses températures et hauts champs magnétiques. Une partie très importante dans ce travail a été le développement d'un dispositif de génération de force à très basses températures permettant une modulation de la pression in-situ adapté à des cellules à enclumes diamant. Pour YbCu2Si2, les mesures de ac-susceptibilité sous pression et sous champ magnétiques ainsi que les mesures d'aimantation sous pression montrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P> 8 GPa est ferromagnétique. L'étude du changement de la valence de l'ion Yb par des mesures de diffusion inélastique en conditions résonantes de rayons X ont permis de clarifier son interaction avec le magnétisme. Même si l'état trivalent est clairement favorisé sous pression, la valence reste inférieure à 3, proche de l'ordre magnétique, même dans les plus hautes pressions et plus basses températures. Nous avons également procédé à une recherche détaillée pour les signatures de metamagnétisme avec des mesures à très haut champ. Dans la deuxième partie de ma thèse, les mesures de ac-calorimétrie et ac-susceptibilité sous pression ont permit d'établir le diagramme de phase (P-T) dans YbCo2Zn20 jusqu'à 14 GPa. En plus, nos résultats suggèrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P>1 GPa est antiferromagnétique. Les forts effets du champ magnétique observées dans les propriétés physiques dans YbCo2Zn20 sont probablement liés à l'interaction entre le champ magnétique et les spins des électrons 4f et non à leur charge car la valence de l'Yb s'avère insensible à l'application d'un champ magnétique de 10 T. La partie finale de cette thèse est consacré à l'étude du diagramme de phase (H-T) sous pression dans YbRh2Si2 pour déterminer l'évolution de la température de l'ordre magnétique en fonctionne de H et P et mieux comprendre les effets liés à ce deux paramètres de contrôle. / In this thesis, three Yb-based heavy fermion compounds, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 and YbRh2Si2, are studied under extreme conditions, i.e, high pressure, low temperatures and high magnetic fields. An important part of the work has been the set up of an in-situ tuning pressure device to measure diamond anvil cells at dilution fridge temperatures. This has enable most of the experimental results presented here. In YbCu2Si2 the nature of the pressure-induced magnetic order that arises for P> 8 GPa has been clarified to be ferromagnetic by ac-susceptibility and magnetization measurements under pressure. The interplay of magnetism and valence change has been investigated by measuring the valence of the title compound at high pressures and low temperatures using resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). As expected, pressure favors the trivalent state but the Yb ion valence remains below 3 even at the highest pressure and at low temperatures very close to the onset of the magnetic order. We have also performed a detailed search for signatures of metamagnetism. The second part of my thesis focuses on YbCo2Zn20. We have extended the (P-T) phase diagram up to 14 GPa by ac-calorimetry and ac-susceptibility measurements. Our results shed some light on the nature of the magnetic order that arises for P>1 GPa which is antiferromangetic. The strong field effects observed in the physical properties in YbCo2Zn20 are probably related to the interaction between the magnetic field and the spin of the 4f electrons rather than to their charge as the valence of the Yb ion is insensitive to the application of a magnetic field of 10 T. The final part of this thesis is devoted to the detailed study of the (H-T) phase diagram under pressure in YbRh2Si2 to determine the evolution of the magnetic ordering temperatures as a function of H and P to better understand the interplay of the two control parameters.

CeCu_2Si_2 was the first heavy-fermion compound showing signatures of bulk superconductivity (T_c = 0.5 K). Further observations have put in evidence the correlations between superconductivity, magnetic order, Kondo physics, and quantum critical phenomena. In spite of the interest generated, a systematic study of such correlations was hampered by strong sample dependences. Fortunately, the inherent complexity associated to the stoichiometric composition has been recently understood. The availability of single-crystals with well-defined properties has thus reignited the interest in CeCu_2Si_2 as a window to novel phenomena, such as unconventional superconductivity. The present work summarizes the results of my doctoral research. It exemplifies the importance not only of high-quality materials, but also of suitable experimental techniques. A first step in this project involved the design of angle-dependent techniques in the milli-kelvin range, namely: electrical resistivity and thermal conductivity. It comprised the development of a rotational stage, the construction of sample holders, and the implementation of controlling and measuring components. In the second part of the project, electrical- and thermal-transport measurements on CeCu_2Si_2 were performed. Power-law behavior below T_c in the thermal conductivity suggests the presence of lines of nodes in the gap function. Also, the non-vanishing extrapolated residual terms (k_00/T ) support the presence of a residual density of states. The nodes are broadened by potential scattering, which appears to be significant in CeCu_2Si_2. The scattering hinders the determination of the symmetry of the order parameter and might be responsible for the observed isotropic angle dependence of the thermal conductivity. In contrast, angle-dependent measurements of the upper critical field exhibit a four-folded behavior, which also points towards the presence of nodes. By comparing with a weak-coupling model including the effects of Pauli limiting and anisotropic Fermi velocity, the results point towards a d_xy-wave symmetry of the order parameter. Such results represent the first angle-dependent measurements supporting a d-wave symmetry in CeCu_2Si_2.

Es werden Fragestellungen aus zwei aktuellen Problemkreisen der elektronisch hochkorrelierten Materialien untersucht. Dem unkonventionellen supraleitenden Zustand sowie dessen Wechselspiel mit magnetischen Effekten gelten die Arbeiten am Schwere-Fermionen-System UBe13 sowie der Dotierungsreihe (UTh)Be13. Sogenanntes Nicht-Fermiflüssigkeits-Verhalten steht im Zentrum der Untersuchungen an der Schwere-Fermionen-Verbindung CeNi2Ge2. Der Schwere-Fermionen-Supraleiter U1-xThxBe13 zeigt neben einem nichtmonotonen Verlauf der Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand Tc(x) einen zweiten Phasenübergang Tc2 < Tc im Konzentrationsbereich 0,019 < x < 0,0455. Als Ursache dieses Übergangs werden sowohl eine mit dem supraleitenden Zustand koexistierende magnetische Ordnung (Spindichtewelle) als auch eine Änderung des supraleitenden Zustands selber diskutiert. Hier konnte mittels dilatometrischer Untersuchungen gezeigt werden, dass der Phasenübergang bei Tc2 eine Vorläuferstruktur im Bereich x < 0,019 besitzt. Die aus diesem Ergebnis folgende Zuordnung charakteristischer Linien im T-x-Diagramm von U1-xThxBe13 schließt gängige Szenarien, die sich für T < Tc2 ausschließlich auf die Änderung des supraleitenden Zustands beziehen, aus. Manche Schwere-Fermionen-Verbindungen zeigen bis zu tiefsten Temperaturen keinen Übergang in einen kohärenten Fermiflüssigkeits-Zustand. Als Ursache dieses Nicht-Fermi-flüssigkeits-Verhaltens wird u.a die Ausbildung kritischer Spinfluktuationen diskutiert. Diese magnetischen Fluktuationen werden in Nähe eines quantenkritischen Punkts (QKP) erwartet, für den bei T=0 als Funktion eines Kontrollparameters ein magnetischer Phasenübergang auftritt. Die Vorhersagen des Konzepts eines "nearly antiferromagnetic Fermi liquid", für die Temperaturabhängigkeiten verschiedener Messgrößen von Systemen nahe eines QKP können an der Verbindung CeNi2Ge2 überprüft werden. Während bei nicht allzu tiefen Temperaturen in der vorliegenden Arbeit eine Übereinstimmung mit den Vorhersagen gefunden wurde, muss die Anwendbarkeit des Konzepts für CeNi2Ge2 bei tiefsten Temperaturen in Frage gestellt werden.

Es werden Fragestellungen aus zwei aktuellen Problemkreisen der elektronisch hochkorrelierten Materialien untersucht. Dem unkonventionellen supraleitenden Zustand sowie dessen Wechselspiel mit magnetischen Effekten gelten die Arbeiten am Schwere-Fermionen-System UBe13 sowie der Dotierungsreihe (UTh)Be13. Sogenanntes Nicht-Fermiflüssigkeits-Verhalten steht im Zentrum der Untersuchungen an der Schwere-Fermionen-Verbindung CeNi2Ge2. Der Schwere-Fermionen-Supraleiter U1-xThxBe13 zeigt neben einem nichtmonotonen Verlauf der Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand Tc(x) einen zweiten Phasenübergang Tc2 < Tc im Konzentrationsbereich 0,019 < x < 0,0455. Als Ursache dieses Übergangs werden sowohl eine mit dem supraleitenden Zustand koexistierende magnetische Ordnung (Spindichtewelle) als auch eine Änderung des supraleitenden Zustands selber diskutiert. Hier konnte mittels dilatometrischer Untersuchungen gezeigt werden, dass der Phasenübergang bei Tc2 eine Vorläuferstruktur im Bereich x < 0,019 besitzt. Die aus diesem Ergebnis folgende Zuordnung charakteristischer Linien im T-x-Diagramm von U1-xThxBe13 schließt gängige Szenarien, die sich für T < Tc2 ausschließlich auf die Änderung des supraleitenden Zustands beziehen, aus. Manche Schwere-Fermionen-Verbindungen zeigen bis zu tiefsten Temperaturen keinen Übergang in einen kohärenten Fermiflüssigkeits-Zustand. Als Ursache dieses Nicht-Fermi-flüssigkeits-Verhaltens wird u.a die Ausbildung kritischer Spinfluktuationen diskutiert. Diese magnetischen Fluktuationen werden in Nähe eines quantenkritischen Punkts (QKP) erwartet, für den bei T=0 als Funktion eines Kontrollparameters ein magnetischer Phasenübergang auftritt. Die Vorhersagen des Konzepts eines "nearly antiferromagnetic Fermi liquid", für die Temperaturabhängigkeiten verschiedener Messgrößen von Systemen nahe eines QKP können an der Verbindung CeNi2Ge2 überprüft werden. Während bei nicht allzu tiefen Temperaturen in der vorliegenden Arbeit eine Übereinstimmung mit den Vorhersagen gefunden wurde, muss die Anwendbarkeit des Konzepts für CeNi2Ge2 bei tiefsten Temperaturen in Frage gestellt werden.

Die Arbeit befaßt sich mit der Messung und Analyse der spezifischen Wärme verschiedener stark korrelierter Elektronensysteme bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Zunächst wird der im Rahmen dieser Arbeit verwendete, auf der Meßmethode der thermischen Relaxation beruhende Aufbau des Kalorimeters (Einsatzbereich 0.05K<T<4K und 0<B<12T) ausführlich erläutert. Danach werden die Ergebnisse von Messungen an den drei Schwere-Fermionen-Verbindungen CeCu2Si2, CeNi2Ge2 und YbRh2Si2 dargelegt. Wenngleich alle drei Systeme bei tiefen Temperaturen durch den für Schwere-Fermionen-Systeme charakteristischen, stark erhöhten elektronischen Beitrag zur spezifischen Wärme gekennzeichnet sind zeigen sich deutliche Unterschiede im beobachteten Grundzustandsverhalten. An CeCu2Si2 wird die für T<1K auftretende Konkurrenz zwischen einem supraleitenden und einem magnetischen Grundzustand ausführlich studiert. In YbRh2Si2 zeigt sich bei einer für 4f-Systeme bemerkenswert tiefen Temperatur von ca. 70mK ein Übergang in eine magnetische Phase, während der Grundzustand von CeNi2Ge2 wegen stark ausgeprägter Probenabhängigkeiten immer noch kontrovers diskutiert wird. Des weiteren zeigen alle drei Verbindungen deutliche Abweichungen vom Verhalten einer Fermi-Flüssigkeit. Die Theorie der Fermi-Flüssigkeit hat sich für metallische Verbindungen als sehr erfolgreich auch bei der Beschreibung des Verhaltens eines Systems aus stark wechselwirkenden Ladungsträgern erwiesen. Warum diese Theorie auf die untersuchten Verbindungen nicht anwendbar zu sein scheint, wird im Rahmen moderner Modellvorstellungen wie z. B. der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt diskutiert. Die an Sr2RuO4, dem ersten Kupfer-freien Perowskit Supraleiter, durchgeführten Messungen der spezifischen Wärme dokumentieren das Auftreten von zwei Zusatzbeiträgen für T<Tc, die eine Interpretation der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands von Sr2RuO4 im Hinblick auf die Topologie des Ordnungsparameters deutlich erschweren.

Die Arbeit befaßt sich mit der Messung und Analyse der spezifischen Wärme verschiedener stark korrelierter Elektronensysteme bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Zunächst wird der im Rahmen dieser Arbeit verwendete, auf der Meßmethode der thermischen Relaxation beruhende Aufbau des Kalorimeters (Einsatzbereich 0.05K<T<4K und 0<B<12T) ausführlich erläutert. Danach werden die Ergebnisse von Messungen an den drei Schwere-Fermionen-Verbindungen CeCu2Si2, CeNi2Ge2 und YbRh2Si2 dargelegt. Wenngleich alle drei Systeme bei tiefen Temperaturen durch den für Schwere-Fermionen-Systeme charakteristischen, stark erhöhten elektronischen Beitrag zur spezifischen Wärme gekennzeichnet sind zeigen sich deutliche Unterschiede im beobachteten Grundzustandsverhalten. An CeCu2Si2 wird die für T<1K auftretende Konkurrenz zwischen einem supraleitenden und einem magnetischen Grundzustand ausführlich studiert. In YbRh2Si2 zeigt sich bei einer für 4f-Systeme bemerkenswert tiefen Temperatur von ca. 70mK ein Übergang in eine magnetische Phase, während der Grundzustand von CeNi2Ge2 wegen stark ausgeprägter Probenabhängigkeiten immer noch kontrovers diskutiert wird. Des weiteren zeigen alle drei Verbindungen deutliche Abweichungen vom Verhalten einer Fermi-Flüssigkeit. Die Theorie der Fermi-Flüssigkeit hat sich für metallische Verbindungen als sehr erfolgreich auch bei der Beschreibung des Verhaltens eines Systems aus stark wechselwirkenden Ladungsträgern erwiesen. Warum diese Theorie auf die untersuchten Verbindungen nicht anwendbar zu sein scheint, wird im Rahmen moderner Modellvorstellungen wie z. B. der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt diskutiert. Die an Sr2RuO4, dem ersten Kupfer-freien Perowskit Supraleiter, durchgeführten Messungen der spezifischen Wärme dokumentieren das Auftreten von zwei Zusatzbeiträgen für T<Tc, die eine Interpretation der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands von Sr2RuO4 im Hinblick auf die Topologie des Ordnungsparameters deutlich erschweren.