Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates. / In this thesis, the spin dynamics of CeCoIn5 has been studied by inelastic neutron scattering. CeCoIn5 presents the highest critical temperature ( Tc = 2.3 K) among heavy fermion Ce-based compounds and shows an unconventionnal supraconductivity with a $d_{x^2-y^2}$-wave gap. The magnetic excitation spectra is radically changed in the supraconducting state with the apparition of an intense excitation named "Spin resonance". This kind of excitation has already been discovered in high-Tc superconductors and even in the new Iron-based superconductors. In this thesis, we focused on the evolution of the spin resonance with the application of a magnetic field and the introduction of magnetic and non-magnetic impurities. From our study, the main effect of impurities is to decrease the superconducting gap which leads to a proportionnal decrease of the resonance energy. The case of magnetic field is more difficult and our researchs suggest a Zeeman splitting of the spin resonance in agreements with the models developped for the cuprates.

La formation et l'étude structurale de bicouches planes formées à partir de lipides synthétiques et d'extraits lipidiques naturels sont décrites. Les bicouches ont été utilisées comme modèles membranaires pour étudier et quantifier les mécanismes d’action du médicament antifongique Amphotéricine B, principalement par réflectométrie des neutrons. Différents modèles membranaires de complexités croissantes, qui intègrent de l’ergostérol ou du cholestérol afin d’imiter respectivement des systèmes fongiques ou mammifères, ont été étudiés. L'extraction, l'analyse chimique et la préparation des mélanges de lipides hydrogénés et deutérés issus de levures sont présentés en même temps que l'optimisation du procédé de déposition sur des substrats de silicium, initialement contrôlés avec une microbalance à quartz et mesure de la dissipation, qui permet d'accéder à des modèles de membranes naturelles pertinentes pour les techniques de diffusion neutronique. Les effets de la deutération sur la composition lipidique de la levure méthylotrophe Pichia pastoris ou de la levure pathogène Candida glabrata, sont détaillés et utiles pour comprendre la modulation des lipides obtenus de ces micro-organismes. Les modèles membranaires basés sur le lipide synthétique 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine ont d'abord été caractérisés et comparés à ceux formés des phospholipides ou des lipides totaux extraits des levures, principalement par réflectométrie des neutrons, mais aussi par diffraction de membrane. Enfin, la relation entre la composition lipidique et les réponses des modèles à l'Amphotéricine B ont été étudiées et quantifiées. Bien que différents comportements soient observés pour les systèmes fongiques et mammifères, les différents degrés de complexité des modèles utilisés a montré une incidence sur les résultats et l'interprétation des mécanismes impliqués lors de l'interaction du médicament avec les membranes. Les différences observées entre les systèmes lipidiques synthétiques et naturels démontrent la pertinence des modèles membranaires nouvellement développés à partir des lipides extraits de biomasse. / The formation and structural investigation of planar bilayers from synthetic lipids and natural extracts is described. The bilayers were used as model membrane systems for the investigation and quantification of the molecular mechanisms of the membrane-binding antifungal drug Amphotericin B, primarily by neutron reflectometry. Different membrane models of increasing complexity were investigated, with ergosterol or cholesterol included to mimic fungal and mammalian cell membranes, respectively. The extraction, chemical analysis and preparation of hydrogenous and deuterated lipid mixtures from yeasts are presented together with the optimization of the deposition process of supported lipid bilayers on silicon substrates using Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring to create relevant natural model membranes for the neutron scattering experiments. The effects of deuteration on the lipid composition in two different yeasts, the methylotrophic Pichia pastoris and the pathogenic Candida glabrata are detailed and is shown to be useful for understanding the modulation of the lipids accessible from these microorganisms. Model membranes from the synthetic lipid 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine were initially characterized and compared to those formed by the phospholipids or the total lipids extracted from the yeasts, mainly using neutron reflectometry but also membrane diffraction. Finally, the relationship between the lipid composition and the response to Amphotericin B was investigated. Although different behavior of the drug is observed in fungal and mammal membrane mimics, the composition and degree of complexity of the model systems employed were shown to affect the findings and the interpretation of the mechanisms involved in the interaction of the drug with the membranes. The differences found between synthetic and natural lipid systems demonstrate the relevance of the newly developed model membranes from lipids extracted from biomass.

Dans cette thèse de doctorat, la structure de membranes naturelles et modèles et leurs interactions avec des molécules biologiquement actives ont été étudiées au moyen de la réflectométrie de neutrons. Les lipides naturels ont été extraits de la levure Pichia pastoris, poussée en milieux deutéré et hydrogéné. L’analyse a montré que la quantité relative de phospholipides n’est pas affectée par le changement en composition isotopique du milieu de croissance. Cependant, les cellules de levures deutérées contiennent principalement des acides gras C18 :1 alors que le degré d’insaturation est plus élevé chez les levures hydrogénés. Diminuer la température du milieu de croissance permet d’augmenter le degré d’insaturation des acides gras chez les levures deutérées. Une analyse qualitative des sphingolipides a été réalisée et un protocole pour séparer les fractions phosphocholines et phosphoethanolamine a été établi.<p><p>La structure de bicouches composées des lipides de levures a été étudiée par réflectivité de neutrons. La bicouche composée de lipides deutérés polaires a une épaisseur similaire aux bicouches faites de phosphocholines C18:1 synthétiques. En présence de stérols, la rugosité aux interfaces entre les têtes polaires et les chaînes augmente. La bicouche composée de lipides polaires hydrogénés est plus mince que celle deutérée. Ceci est dû à la composition en acides gras beaucoup plus variée et du plus grand nombre d’insaturations. En présence de stérols, l’épaisseur de la bicouche hydrogénée augmente. <p>L’interaction de ces bicouches avec l’amphotéricine B (AmB) a été étudiée. L’AmB est un antifongique qui interagit fortement avec les membranes contenant de l’ergostérol et moins fortement avec des membranes contenant du cholestérol. Dans tous les cas, les molécules d’AmB forment une couche épaisse et diluée au dessus de la bicouche lipidique. En présence de stérols, les molécules d’AmB pénètrent dans la bicouche et change sa structure selon la composition en acide gras.<p><p>La structure de bicouches lipidiques de plante et leurs interactions avec des intermédiaires de synthèse ont aussi été étudiées par réflectivité de neutrons. Des mélanges ternaires de plantes étaient déposés sur silicium et des mélanges quaternaires sur saphir. L’épaisseur de la bicouche composée de mélange ternaire est de 38 Å, tandis que celle du mélange ternaire est de 28 Å, la différence venant probablement d’un effet de substrat. La présence de diacylglycérol (DAG) a comme conséquence d’augmenter l’aire par lipide, et ainsi de changer la conformation des têtes polaires. L’interaction des bicouches de lipide de plante avec l’acide phosphatidique (PA) dans le but d’observer un flip-flop possible a aussi été étudiée mais le PA a tendance à désorbé les bicouches du substrat et aucun mécanisme de flip flop n’a été détecté.<p><p>Finalement, la localisation d’une petite molécule, le resvératrol, dans des bicouches modèles a été étudiée. Le resvératrol est connu pour être responsable du « paradoxe français » qui est une corrélation inverse entre la consommation d’aliment gras et un faible taux de maladie cardiaque. Quand le resvératrol est adsorbé à partir de la phase liquide, il induit une réorganisation des têtes polaires. Quand il est déposé sur le substrat en présence des lipides, il est présent à l’interface entre les têtes polaires et les chaines.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse est une étude par diffusion neutronique des pyrochlores Tb2Ti2O7 et Pr2Zr2O7. Ces composés, pour lesquels les ions magnétiques sont des ions Non-Kramers (NK), sont présentés comme de potentielles glaces de spin quantiques. Dans Pr2Zr2O7, l'étude des réponses élastique et inélastique et des structures induites sous champ nous amènent à conclure que l'état fondamental serait une recombinaison du doublet fondamental de champ cristallin (CEF) du fait de l'existence de termes multipolaires dans l'Hamiltonien. Ces termes seraient dus à un couplage magnéto-cristallin. Dans l'approximation de champ moyen, un modèle local de distorsion structurale semble en effet reproduire nos résultats. Dans Tb2Ti2O7, malgré de notables différences avec Pr2Zr2O7, nos mesures indiquent qu'un mécanisme semblable de mélange des fonctions d'onde du doublet fondamental de CEF a lieu. Ce mélange impliquerait des termes multipolaires également dus au couplage magnéto-cristallin et nous avons pu observer une signature directe de ce couplage. Les mécanismes en jeu dans ces systèmes ne seraient pas ceux proposés pour les glaces de spin quantiques mais dus à la sensibilité des ions NK à leur environnement. L'étude de composés non-st¿chiométriques montre la réactivité du magnétisme aux perturbations. / This work is the neutron scattering study of the pyrochlores Tb2Ti2O7 and Pr2Zr2O7. These compounds where magnetic ions are Non-Kramers ions are expected to be quantum spin ices. In Pr2Zr2O7, the study of the elastic and inelastic response together with the study of the magnetic structures in applied magnetic field lead to the conclusion that the magnetic ground state is a mixing of the wave functions of the crystal-field ground state doublet because of quadrupolar terms in the Hamiltonian. These terms would originate from a coupling to the lattice. Using the mean-field approximation, a model based on a local structural distortion reproduces quite well our measurements. Despite strong differences with Pr2Zr2O7, our measurements provide evidence for a similar mechanism in Tb2Ti2O7. Again, this would be caused by multipolar terms in the Hamiltonian reflecting a strong coupling of the magnetic moments to the lattice. Then, these pyrochlores would not be quantum spin ices. Instead, the extreme sensibility to the environment characteristic of the Non-Kramers ions would lead to these fluctuations. Our measurements of samples slightly off-stoichiometry emphases the strong reactivity of the magnetic behavior of these compounds.

Ce manuscrit présente l'étude d'une famille d'oxydes de chrome dans laquelle les composés peuvent être synthétisés selon deux phases qui présentent deux topologies différentes : les phases α-ACr₂O₄ (A=Sr, Ca, Ba) et β-CaCr₂O₄. Dans cette famille, les ions chrome portent un spin S=3/2 et forment soit des chaînes triangulaires, soit des plans triangulaires. Notre étude a donc été menée en deux parties : l'étude d'un système magnétique quasi-unidimensionnel et l'étude d'un système quasi-bidimensionnel.La première étude a été consacrée au composé β-CaCr₂O₄. Ce composé présente à basse température un comportement classique caractérisé par un ordre magnétique à longue portée associé à des corrélations 3D et au-dessus de la température d'ordre un comportement quantique caractéristique de chaînes de spins quasi-unidimensionnelles. L'objet de notre étude a donc été de mieux comprendre le mécanisme qui permet la transition d'un régime classique vers un régime quantique dans ce composé. Dans ce contexte nous avons exploré les effets de topologie et de contrainte structurale sur les propriétés magnétiques du composé, à travers l’étude de la série de composés substitués β-CaCr₂-xScxO₄ ainsi qu’une étude sur les effets de la pression. Ce travail a été mis en parallèle avec des calculs théoriques sur les chaînes de spins J₁-J₂.La seconde partie concerne le composé α-SrCr₂O₄. Notamment, l’étude par diffusion des neutrons de ce composé a mis en évidence l’influence de la dimension 2D ainsi que la distorsion du réseau triangulaire sur l’état fondamental du système et son comportement dynamique. / This thesis focuses on the study of a chromium oxide family in which the samples are synthsized into two forms with two different topologies : α-ACr₂O₄ (A=Sr, Ca, Ba) and β-CaCr₂O₄. In these compounds, the chromium ions carry a spin 3/2 and either form triangular spin chains or two dimensional triangular lattices. Our study was hence divided in two parts : the study of a quasi one-dimensional and of a two-dimensional antiferromagnet.The first part was dedicated to the β-CaCr₂O₄ compound. This system exhibits a classical behavior at low temperature associated to a three-dimensional long-range magnetic order and quantum properties typical of a spin chain above the Néel temperature.The aim o four study was therefore to understand the mecanism involved in this classical to quantum physics crossover.In this context, we explored the topological and structural effects on the magnetic properties of this system, through the study of the series of substituted compounds β-CaCr₂-xScxO₄, as well as a study of β-CaCr₂O₄ under pressure. This work was also supported by theoretical calculations on frustrated J₁-J₂ spin chains.The second part of this thesis focused on α-SrCr₂O₄. In particular, neutron scattering measurements on this compound highlighted the effects of the 2D character and the distortion of the triangular lattice on the ground state and dynamical properties in this system.

Second-order phase transitions involve critical fluctuations just below and above the transition temperature. Macroscopically, they manifest in the power-law behaviour of many physical properties such as the susceptibility and the specific heat. The power-laws are predicted to be universal, i.e. the same exponents are expected for a certain class of transitions irrespective of the microscopic details of the system. The underlying commonality of such transitions is the divergence of the correlation length ξ and the correlation time ξ_τ of the critical fluctuations at the transition temperature. Both ξ and ξ_τ can be directly observed by neutron scattering experiments, making them an ideal tool for the study of critical phenomena. At classical phase transitions, the critical fluctuations will be thermal in nature. However, if a second-order transition occurs at T = 0, thermal fluctuations are frozen, and the transition is driven by quantum fluctuations instead. This is called a quantum critical point. The quantum nature of the fluctuations influences observable properties, also at finite temperatures, and causes unusual behaviour in the vicinity of the quantum critical point or the existence of exotic phases, e.g. unconventional superconductivity. Heavy-fermion compounds are a class of materials that is well suited for the study of quantum criticality. They frequently show second-order transitions into a magnetically ordered state at very low temperatures, which can easily be tuned to T = 0 by the application of pressure, magnetic fields or element substitution. In this thesis, fluctuations near a quantum critical point are investigated for three heavy-fermion systems. CeCu2Si2 shows unconventional superconductivity close to an antiferromagnetic quantum critical point. Results from single-crystal neutron spectroscopy and thermodynamic measurements are discussed and some details are also given about the synthesis of large single crystals. The focus of the study is the comparison of the inelastic response of magnetic and superconducting samples, which are found to be very similar for ΔE > 0.2 meV. CePdAl has an antiferromagnetic state with partial magnetic frustration. The ordering temperature can be suppressed by Ni substitution towards a quantum critical point. Single-crystal neutron diffraction experiments of three members of the substitution series were analysed. They revealed several unusual effects of the frustrated state in the pure sample, and show that magnetic order and frustration persist in the substituted samples. YbNi4P2 is a rare example of a compound with ferromagnetic quantum criticality, which has only been studied in the last few years. The aim of the powder neutron spectroscopy experiments presented here was to obtain an overview of the relevant energy scales, i.e. the crystal electric field, local magnetic fluctuations and ferromagnetic fluctuations. Simulations using the program McPhase were performed for a thorough understanding of the crystal electric field.

Gegenstand des Vorhabens im Rahmen der WTZ mit Russland ist die Versprödung des Reaktordruckbehälters infolge der Strahlenbelastung mit schnellen Neutronen im kernnahen Bereich. Um den Einfluss von bestrahlungsinduzierten Gitterdefekten auf die mechanischen Eigenschaften zu ermitteln, wurden analytische Berechnungen zum Einfluss von Hindernissen auf die Beweglichkeit von Versetzungen und damit auf die Ausbildung einer plastischen Zone an der Rissspitze durchgeführt. Es wird demonstriert, dass sich die an der Rissspitze entstehenden Versetzungen an dem Hindernis (bestrahlungsinduzierte Punktdefekte) aufstauen. In Abhängigkeit der Rissbelastung KI und der Entfernung des Hindernisses von der Rissspitze werden die Versetzungsdichte und das durch den Versetzungsstau verursachte Spannungsfeld berechnet. Mit Hilfe von Experimenten zur Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS - small angle neutron scattering) an verschiedenen WWER-Stählen und Modelllegierungen wurden Größenverteilungen und die Volumenanteile der strahleninduzierten Defekte für verschiedene Bestrahlungszustände (Fluenzen, Bestrahlungstemperaturen) ermittelt. Es wurde gezeigt, dass sich die strahleninduzierte Werkstoffschädigung durch Wärmebehandlung weitgehend wieder ausheilen lässt. Nach der thermischen Ausheilung ist der Werkstoff bei erneuter Bestrahlung weniger anfällig für strahleninduzierte Defekte. Die Ergebnisse der SANS-Untersuchungen wurden mit der Änderung der mechanischen Eigenschaften (Härte, Streckgrenze und Sprödbruchübergangstemperatur) korreliert. Mit der kinetischen Gitter-Monte-Carlo-Methode wurden numerische Sensitivitätsstudien zum Einfluss des Cu-Gehalts auf die Stabilität von Defekt-Clustern durchgeführt. Die Berechnungen zeigen, dass die Anwesenheit von Cu-Atomen zur Bildung von langlebigen Defekten führt. Dabei werden Leerstellen in Cu/Leerstellen-Cluster eingefangen. Leerstellen in reinem Eisen sind bei Bestrahlungstemperaturen von 270 °C dagegen nicht stabil, die Lebensdauer liegt zwischen 0.01 s und 1 s. Die kritische Cu-Konzentration, ab welcher stabile Defekte entstehen, beträgt ca. 0.1 Masseprozent.

The R2PdSi3 (R = heavy rare earth) have been synthesized first in 1990 in the search for materials with unusual electronic properties. The availability of single crystals was the starting point for several investigations of the magneto-crystalline anisotropy, also in applied magnetic fields. The results of the observed properties in resistivity, magnetization and susceptibility lead to the summary that these compounds range from interesting to exotic and that their magnetic properties are low dimensional, spin-glass like and altogether “novel”. The focus of this thesis is the careful analysis of the magnetic properties and magnetic structures of single crystalline R2PdSi3 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm). The investigation of macroscopic properties uses magnetization and ac-susceptibility measurements. Resulting from these investigations are magnetic phase diagrams. Neutron and resonant X-ray diffraction measurements elucidate the magnetic structure for the investigated compounds. The phase diagram of Tb2PdSi3 is the starting point of a detailed neutron diffraction study in applied magnetic fields up to 6.5 T and in the temperature range from 0.05 K to 100 K on this compound. Key to the understanding of the R2PdSi3 is the strong coupling of crystallographic structure to the magnetic properties. Thus the established framework of exchange interaction and magneto-crystalline anisotropy allows a collective description instead of a “novel” behavior. / Die R2PdSi3 (R = schwere seltene Erde) sind erstmals 1990, im Rahmen der Suche nach Materialien mit ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften, synthetisiert worden. Die Verfügbarkeit von Einkristallen war der Startpunkt für eine Vielzahl von Untersuchungen, auch in angelegten Magnetfeldern, der magneto-kristallinen Anisotropie. Das Ergebnis der untersuchten Eigenschaften Widerstand, Magnetisierung und Suszeptibilität führte zu dem Schluss, dass diese Verbindungen interessant bis exotisch und das ihre magnetischen Eigenschaften niedrig dimensional, spin-glas ähnlich und insgesamt “neuartig“ sind. Der Schwerpunkt dieser Dissertation ist die genaue Analyse der magnetischen Eigenschaften und Magnetischen Strukturen von einkristallinen R2PdSi3 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm). Magnetisierungs- und Suszeptibilitäts-Messungen werden zur Untersuchung der makroskopischen Eigenschaften benutzt. Resultat dieser Untersuchungen sind magnetische Phasendiagramme. Neutronen und resonante Röntgendiffraktrometrie klären die magnetische Struktur der untersuchten Verbindungen auf. Das Phasendiagramm von Tb2PdSi3 ist der Startpunkt einer detaillierten Neutronendiffraktionsuntersuchung dieser Verbindung in Magnetfeldern bis 6.5 T und im Temperaturbereich von 0.05 K und 100 K. Der Schlüssel zum Verständnis der R2PdSi3 ist die starke Kopplung der kristallografischen Struktur und der magnetischen Eigenschaften. Dadurch erlaubt das etablierte System aus Austauschwechselwirkung und magneto-kristalliner Anisotropie eine gemeinsame Beschreibung anstatt „neuartigem“ Verhalten.

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