京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18058号 / 理博第3936号 / 新制||理||1567(附属図書館) / 30916 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 池田 隆介, 教授 川上 則雄, 教授 石田 憲二 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Abstract Interacting many-body problems are central to most fields of physics. In condensed matter physics, the systems of interest consists of a number of bodies on the order of Avogadro's constant, ~10²³. The precise modeling of such systems is usually impossible. Under certain circumstances however, even these problems can become tractable. One such circumstance is that of a Fermi liquid. At sufficiently low temperatures, in describing the dynamics of a system of interacting fermions, it is possible to forgo description of the fermions themselves, and instead concentrate on the collective excitations of the entire fermion system. These collective excitations are called quasiparticles. In this thesis we study two phenomena related to the motion of objects in a Fermi liquid. First, we study the transmission of transverse oscillations through a thin film of normal Fermi liquid. The dynamics of normal Fermi liquid are described by Landau's Fermi liquid theory. Landau's theory predicts the existence of new modes of sound under conditions where sound ordinarily would not propagate. Using the equations of motion for the Fermi liquid quasiparticles, we calculate the linear response of a Fermi liquid film to the transverse oscillations of a planar substrate under a wide range of conditions. We present the linear response in terms of the film's acoustic impedance and study the effects of quasiparticle collisions and of the Fermi liquid interactions. The second phenomenon we study is the supercritical motion of a wire in a superfluid Fermi liquid. The prevailing assumption is that if the velocity of an object moving in a superfluid Fermi liquid surpasses a characteristic critical velocity, the object experiences a sudden onset of viscous forces. This viscosity is caused by the escape of quasiparticles, produced by pair breaking on the surface of the object, into the surrounding superfluid. We study Andreev reflection of the quasiparticles by the surrounding superfluid flow field, and modifications to the flow caused by pair breaking, as possible mechanisms for low-dissipation motion above the critical velocity. / Original publications The original publications are not included in the electronic version of the dissertation. Kuorelahti, J. A., Tuorila, J. A., & Thuneberg, E. V. (2016). Fermi liquid theory applied to a film on an oscillating substrate. Physical Review B, 94(18). https://doi.org/10.1103/physrevb.94.184103 Kuorelahti, J. A., & Thuneberg, E. V. (2018). Two-parameter boundary condition applied to transverse acoustic impedance of a Fermi liquid. Journal of Physics: Conference Series, 969, 12010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/969/1/012010 http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe2018060425173 Kuorelahti, J. A., Laine, S. M., & Thuneberg, E. V. (2018). Models for supercritical motion in a superfluid Fermi liquid. Physical Review B, 98(14). https://doi.org/10.1103/physrevb.98.144512 http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe2018112148794

Die Wirkung von Seltenerd-Stoerelementen in Seltenerd-Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Verbindungen, die im gleichen Temperaturbereich Supraleitung und magnetische Ordnung zeigen, wird in Hinblick auf die Unterdrueckung der Supraleitung untersucht. Sie aeussert sich in magnetischer Paarbrechung, ferngeordneten Magnetstrukturen und Unordnung. Die Verbindungen wurden entsprechend der an das Material gestellten Anforderungen mittels Lichtbogenschmelzen, Rascherstarrung oder durch Einkristallzucht hergestellt. Die Unterdrueckung der supraleitenden Uebergangstemperatur in diesen Mischreihen mit magnetischen und nichtmagnetischen Seltenerdionen wird durch den Einfluss des effektiven de Gennes-Faktors, der der Konzentration der magnetischen Seltenerdionen Rechnung traegt, des Kristallfeldes und der durch die unterschiedlichen Radien der Seltenerdionen verursachten Unordnung erklaert. Die Unordnung wird durch die Varianz der Ionenradien quantifiziert und ihre Auswirkung auf die supraleitende Uebergangstemperatur und das obere kritische Feld sowie dessen Kruemmung in der Naehe der Uebergangstemperatur beobachtet. Die Uebergagstemperatur von Yttrium-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen wird im Bereich schwacher Konzentration von magnetischer Seltenerdionen fuer alle magnetischen Seltenerdionen qualitativ erfasst. In antiferromagnetisch geordneten Seltenerd-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen wirken unmagnetische Verunreinigungen stark paarbrechend, wobei dieser Mechanismus durch die Unordnung verstaerkt wird. Durch Neutronenbeugungsexperimente wurden die magnetischen Strukturen der Seltenerd-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen nachgewiesen. Bei vollstaendig ausgebildeter antiferromagnetischer Ordnung verzerrt das Kristallgitter aufgrund magnetoelastischer Effekte. In Holmium-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen konnten die drei bekannten magnetischen Strukturen gefunden werden, wodurch die Korrelation zwischen dem reentrant-Verhalten und magnetischer Fernordnung nachgewiesen wurde. Im aeusseren Magnetfeld werden die Strukturen anhand eines bekannten Feld-Temperatur-Phasendiagramms erklaert, in dem die magnetischen Ueberstrukturen als Funktion von Feld und Temperatur aufgestellt wurden.

Die Wirkung von Seltenerd-Stoerelementen in Seltenerd-Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Verbindungen, die im gleichen Temperaturbereich Supraleitung und magnetische Ordnung zeigen, wird in Hinblick auf die Unterdrueckung der Supraleitung untersucht. Sie aeussert sich in magnetischer Paarbrechung, ferngeordneten Magnetstrukturen und Unordnung. Die Verbindungen wurden entsprechend der an das Material gestellten Anforderungen mittels Lichtbogenschmelzen, Rascherstarrung oder durch Einkristallzucht hergestellt. Die Unterdrueckung der supraleitenden Uebergangstemperatur in diesen Mischreihen mit magnetischen und nichtmagnetischen Seltenerdionen wird durch den Einfluss des effektiven de Gennes-Faktors, der der Konzentration der magnetischen Seltenerdionen Rechnung traegt, des Kristallfeldes und der durch die unterschiedlichen Radien der Seltenerdionen verursachten Unordnung erklaert. Die Unordnung wird durch die Varianz der Ionenradien quantifiziert und ihre Auswirkung auf die supraleitende Uebergangstemperatur und das obere kritische Feld sowie dessen Kruemmung in der Naehe der Uebergangstemperatur beobachtet. Die Uebergagstemperatur von Yttrium-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen wird im Bereich schwacher Konzentration von magnetischer Seltenerdionen fuer alle magnetischen Seltenerdionen qualitativ erfasst. In antiferromagnetisch geordneten Seltenerd-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen wirken unmagnetische Verunreinigungen stark paarbrechend, wobei dieser Mechanismus durch die Unordnung verstaerkt wird. Durch Neutronenbeugungsexperimente wurden die magnetischen Strukturen der Seltenerd-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen nachgewiesen. Bei vollstaendig ausgebildeter antiferromagnetischer Ordnung verzerrt das Kristallgitter aufgrund magnetoelastischer Effekte. In Holmium-Seltenerd-Nickel-Borkabid-Verbindungen konnten die drei bekannten magnetischen Strukturen gefunden werden, wodurch die Korrelation zwischen dem reentrant-Verhalten und magnetischer Fernordnung nachgewiesen wurde. Im aeusseren Magnetfeld werden die Strukturen anhand eines bekannten Feld-Temperatur-Phasendiagramms erklaert, in dem die magnetischen Ueberstrukturen als Funktion von Feld und Temperatur aufgestellt wurden.

Le rôle du désordre sur les phases onde de densité de spin induites par le champ magnétique (ODSIC) a été étudié sur un monocristal de (TMTSF)2ClO4. Les propriétés à basse température de ce conducteur organique quasi-unidimensionnel dépendent de la vitesse de refroidissement au passage de la transition de mise en ordre des anions qu'il subit à 24 kelvins. Nous avons utilisé cet effet de cinétique pour contrôler le taux de désordre dans l'échantillon. Nos investigations ont été effectuées à l'aide de mesures calorimétriques: d'une part, des mesures simultanées de la chaleur spécifique et de l'effet magnétocalorique en champ variable, et d'autre part, des mesures de la chaleur spécifique en champ fixe. Nous avons mis en évidence un nouveau comportement multicritique en un point de la ligne de transition du second ordre, qui sépare la phase métallique et les sous-phases ODSIC. La criticité de ce point passe de "tétracritique" à bicritique lorsque le désordre augmente. Le point "tétracritique" peut être interprété comme le résultat de la superposition de deux sous phases-ODSIC adjacentes. Nous rapportons aussi un effet de dépairage de paires électron-trou induit par le désordre non magnétique Ce dépairage diffère du comportement universel. De plus l'écart par rapport à ce dernier dépend du champ magnétique. Enfin il n'est pas monotone en fonction du champ. Par ailleurs, les mesures que nous avons effectuées montrent que la mise en ordre des anions n'influence pas directement les réentrances partielles de l'état métallique dans les sous-phases ODSIC entre 3 et 7 teslas. Ceci permet de penser que, dans ce domaine de champs magnétiques, la bande interdite ouverte dans le spectre d'énergie du fait de la mise en ordre des anions ne serait pas directement responsable des réentrances.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.

In der vorliegenden Arbeit werden die mikroskopischen Eigenschaften des supraleitenden Zustands von MgCNi3, MgB2 und einigen Seltenerd-Nickel-Borkarbiden anhand von Messungen der spezifischen Wärme untersucht. Der die Supraleitung verursachende Cooper-Paarzustand der Elektronen wird durch eine Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen erzeugt. Daher wird zusätzlich zur spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands auch die des normalleitenden Zustands untersucht. Aus letzterer kann unter Berücksichtigung theoretischer Ergebnisse für die elektronische Zustandsdichte die Elektron-Phonon-Wechselwirkungsstärke bestimmt werden. Mit Hilfe eines selbstentwickelten Computerprogramms wird ausserdem das Frequenzspektrum der Gitterschwingungen abgeschätzt und mit Ergebnissen aus Neutronenstreuexperimenten verglichen. Die Energielücke des supraleitenden Zustands kann aus der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands bestimmt werden, die ebenso wie das obere kritische Magnetfeld Hc2(0) Hinweise auf die Elektron-Phonon-Kopplung liefert. Aus der Analyse dieser Ergebnisse und dem Vergleich mit Ergebnissen aus Transportmessungen wie der Tunnel- oder Punktkontaktspektroskopie kann gefolgert werden, inwieweit das BCS-Modell der Supraleitung modifiziert werden muss, um den supraleitenden Zustand der untersuchten Verbindungen beschreiben zu können. Dazu stehen sowohl bekannte Erweiterungen zur Berücksichtigung von verstärkter Elektron-Phonon-Kopplung als auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analytische Zweibandformulierungen zur Verfügung. Untersuchungen an MgCNi3, das sich nahe einer magnetischen Instabilität befindet, zeigen, dass auftretende magnetische Fluktuationen eine Halbierung der supraleitende Übergangstemperatur Tc zur Folge haben. Der unter diesem Aspekt relativ hohe Wert von Tc=7 K ist eine Konsequenz starker Elektron-Phonon Kopplung, die im Wesentlichen durch vom Kohlenstoff stabilisierte Nickelschwingungen getragen wird. Mehrbandeffekte sind in diesem System aufgrund der Dominanz eines der Bänder an der Fermi-Kante nur für den konsistenten Vergleich unterschiedlicher Experimente von Bedeutung. So messen Transportexperimente vorrangig die Eigenschaften der schnellen Ladungsträger (Band mit der geringen partiellen Zustandsdichte), während die spezifische Wärme über die Bandanteile mittelt und daher die Eigenschaften der langsamen Ladungsträger (Band mit der hohen partiellen Zustandsdichte) reflektiert. Eine erstmalig beobachtete ausgeprägte Anomalie in der spezifischen Wärme des klassischen Mehrbandsupraleiters MgB2 (hier mit reinem Bor-10) bei etwa Tc/4=10 K kann mittels eines Zweibandmodells in Übereinstimmung mit erst kürzlich gemachten theoretischen Vorhersagen für den Fall besonders schwacher Kopplung zwischen den beiden Bändern verstanden werden. Die Stärke der Interbandkopplung ist auch von praktischem Interesse, da durch das Einbringen von Streuzentren Hc2(0) zwar erhöht wird, gleichzeitig dann aber auch im Allgemeinen die Interbandkopplung ansteigt, was eine Absenkung des gemeinsamen Tc's beider Bänder zur Folge hat. Die Analyse der spezifischen Wärme der supraleitenden Phase der nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbide YNi2B2C und LuNi2B2C führt zu dem Schluss, dass sichtbare Effekte des Mehrbandelektronensystems sowohl von der Masse auf dem Platz der Seltenen Erde, als auch des Übergangsmetalls [untersucht an Lu(Ni1-xPtx)2B2C] abhängig sind. Das Signal des in der spezifischen Wärme des antiferromagnetischen HoNi2B2C sichtbaren supraleitenden Phasenübergangs ist kleiner als erwartet. Die Diskrepanz entspricht etwa einem Drittel der elektronischen Zustandsdichte und deckt sich in etwa mit Ergebnissen zu den ebenfalls magnetischen Systemen DyNi2B2C und ErNi2B2C. Im Rahmen des Mehrbandmodells kann das als natürliche Konsequenz des unterschiedlich starken Einflusses des Magnetismus auf die verschiedenen Bänder gedeutet werden.