Temperature dependence of the mid-infrared dielectric function of YBCO in the ab plane

We have excited mid-infrared surface plasmons in two YBCO thin films of contrasting properties using attenuated total reflection of light and found that the imaginary part of the dielectric function decreases linearly with reduction in temperature. This result is in contrast with the commonly reported conclusion of infrared normal reflectance studies. If sustained it may clarify the problem of understanding the normal state properties of YBCO and the other cuprates. The dielectric function of the films, epsilon = epsilon(1) + i epsilon(2), was determined between room temperature and 80K: epsilon(1) was found to be only slightly temperature dependent but somewhat sample dependent, probably as a result of surface and grain boundary contamination. The imaginary part, epsilon(2), (and the real part of the conductivity, sigma(1),) decreased linearly with reduction in temperature in both films. Results obtained were: for film 1: epsilon(1) = - 14.05 - 0.0024T and epsilon(2) - 4.11 + 0.086T and for film 2: epsilon(1) = - 24.09 + 0.0013T and epsilon(2) = 7.66 + 0.067T where T is the temperature in Kelvin. An understanding of the results is offered in terms of temperature-dependent intrinsic intragrain inelastic scattering and temperature-independent contributions: elastic and inelastic grain boundary scattering and optical interband (or localised charge) absorption. The relative contribution of each is estimated. A key conclusion is that the interband (or localised charge) absorption is only similar to 10%. Most importantly, the intrinsic scattering rate, 1/tau, decreases linearly with fall in temperature, T, in a regime where current theory predicts dependence on frequency, omega, to dominate. The coupling constant, lambda, between the charge carriers and the thermal excitations has a value of 1.7, some fivefold greater than the far infrared value. These results imply a need to restate the phenomenology of the normal state of high temperature superconductors and seek a corresponding theoretical understanding.

Breakthrough in Superconductors (1987)

Physics professors Frans Koffyberg (right), Fereidoon Razavi (middle), and Bozidar Mitrovic (left) discover a new superconductor. A superconductor is a material that conducts electricity at very low temperatures with zero electrical resistance. The Brock researchers found that a compound of the metals Barium, Lanthanum, Copper, and Oxygen become a superconductor at 30 degrees absolute, which is a record high temperature.

The infared optical properties of Sr2RuO4 and SmTiO3 including an object-oriented resistivity interface /

The perovskite crystal structure is host to many different materials from insulating to superconducting providing a diverse range of intrinsic character and complexity. A better fundamental description of these materials in terms of their electronic, optical and magnetic properties undoubtedly precedes an effective realization of their application potential. SmTiOa, a distorted perovskite has a strongly localized electronic structure and undergoes an antiferromagnetic transition at 50 K in its nominally stoichiometric form. Sr2Ru04 is a layered perovskite superconductor (ie. Tc % 1 K) bearing the same structure as the high-tem|>erature superconductor La2_xSrrCu04. Polarized reflectance measurements were carried out on both of these materials revealing several interesting features in the far-infrared range of the spectrum. In the case of SmTiOa, although insulating, evidence indicates the presence of a finite background optical conductivity. As the temperature is lowered through the ordering temperature a resonance feature appears to narrow and strengthen near 120 cm~^ A nearby phonon mode appears to also couple to this magnetic transition as revealed by a growing asymmetry in the optica] conductivity. Experiments on a doped sample with a greater itinerant character and lower Neel temperature = 40 K also indicate the presence of this strongly temperature dependent mode even at twice the ordering temperature. Although the mode appears to be sensitive to the magnetic transition it is unclear whether a magnon assignment is appropriate. At very least, evidence suggests an interesting interaction between magnetic and electronic excitations. Although Sr2Ru04 is highly anisotropic it is metallic in three-dimensions at low temperatures and reveals its coherent transport in an inter-plane Drude-like component to the highest temperatures measured (ie. 90 K). An extended Drude analysis is used to probe the frequency dependent scattering character revealing a peak in both the mass enhancement and scattering rate near 80 cm~* and 100 cm~* respectively. All of these experimental observations appear relatively consistent with a Fermi-liquid picture of charge transport. To supplement the optical measurements a resistivity station was set up with an event driven object oriented user interface. The program controls a Keithley Current Source, HP Nano-Voltmeter and Switching Unit as well as a LakeShore Temperature Controller in order to obtain a plot of the Resistivity as a function of temperature. The system allows for resistivity measurements ranging from 4 K to 290 K using an external probe or between 0.4 K to 295 K using a Helium - 3 Cryostat. Several materials of known resistivity have confirmed the system to be robust and capable of measuring metallic samples distinguishing features of several fiQ-cm.

Ultrasonic attenuation in layered superconductors /

We study the ultrasonic attenuation in layered superconductors using the Green's function formalism. General expressions are derived analytically and then calculated numerically by taking the nearest and next-nearest interactions in a disordered layered superconductor with random hoppings. Our results show huge anisotropics of ultrasonic attenuation in the superconductors and the strong dependence of ultrasonic attenuation on the temperature and the direction of polarization of the sound wave.

Properties of NaxCoO2 /

Polycrysttdline samples of NaiCoOa were prepared using the "Rapid heat-up" method. One set of samples was annealed in flowing O2, while the other set in flowing Argon. X-Ray diffraction measurements indicated a stable phase of Nao.7Co02 mixed with C03O4 for all the samples even though they differed in concentration of Na. Argon annealed samples were insulators, whereas the ones annealed in O2 were metallic. Most of the measurements were performed on the sample Nao.7Co02, because it is the host compound for the superconductor sample Nao.35Co02-H20. Magnetization measurement showed that the magnetic moment decreased with increasing sodium concentration. This is due to the existence of C03O4 in samples with Na^ 0.7. As sodium concentration decreases, the magnetic moment increases due to the increasing concentration of C03O4 and its large magnetic moment. Magnetization measurements showed that the magnetic moment of Nao.7Co02 is field-dependent in low fields eind field-independent in fields higher than 100 G. Resistivity changes with temperature (dp/dT) increased with increasing Na concentration. Also resistivity measurements were performed under different hydrostatic pressures on Nao.7Co02. Two transitions were observed; one at a temperature Ti ~20 K and the other at T2 ^280 K, the transition at Ti has a magnetic origin and the one at T2 is a structiural transition. It was noticed that pressure aJfects resistivity of the sample. At higher pressures resistivity changes faster with temperature. Magnetoresistance measurement showed a small change in the resistivity, especially at lower temperatures. A novel layered superconductor Nao.35Co02H20 was prepared using de-intercalation of Na from the host compound Nao.7Co02. FVom the temperature dependence of the magnetization, the superconducting transition temperature and lower critictil field have been estimated as Tc=4.12 K and Hci=66 G, respectively.

Magnetic and high pressure studies in the YPd5B3C3 system

The macroscopic properties of the superconducting phase in the multiphase compound YPd5B3 C.3 have been investigated. The onset of superconductivity was observed at 22.6 K, zero resistance at 21.2 K, the lower critical field Hel at 5 K was determined to be Hel (5) rv 310 Gauss and the compound was found to be an extreme type-II superconductor with the upper critical field in excess of 55000 Gauss at 15 K. From the upper and lower critical field values obtained, several important parameters of the superconducting state were determined at T = 15 K. The Ginzburg-Landau paramater was determined to be ~ > 9 corresponding to a coherence length ~ rv 80A and magnetic penetration depth of 800A. In addition measurements of the superconducting transition temperature Te(P) under purely hydrostatically applied pressure have been carried out. Te(P) of YPd5B3 C.3 decreases linearly with dTe/dP rv -8.814 X 10-5 J

Pressure dependence of superconducting properties of MgB2 /

We prepared samples of MgB2 and ran sets of experiments aimed for investigation of superconducting properties under pressure. We found the value of pressure derivative of the transition temperature -1.2 ± 0.05 K/GPa. Then, using McMillan formula, we found that the main contribution to the change of the transition temperature under the pressure is due to the change in phonon frequencies. Griineisen parameter was calculated to be 7g = 2.4. Our results suggest that MgB2 is a conventional superconductor.

The Effects of Annealing URu2Si2 on the Resistivity and Meissner Effect

The enigmatic heavy fermion URu2Si2, which is the subject of this thesis, has attracted intensive theoretical and experimental research since 1984 when it was firstly reported by Schlabitz et al. at a conference [1]. The previous bulk property measurements clearly showed that one second order phase transition occurs at the Hidden Order temperature THO ≈ 17.5 K and another second order phase transition, the superconducting transition, occurs at Tc ≈ 1 K. Though twenty eight years have passed, the mechanisms behind these two phase transitions are still not clear to researchers. Perfect crystals do not exist. Different kinds of crystal defects can have considerable effects on the crystalline properties. Some of these defects can be eliminated, and hence the crystalline quality improved, by annealing. Previous publications showed that some bulk properties of URu2Si2 exhibited significant differences between as-grown samples and annealed samples. The present study shows that the annealing of URu2Si2 has some considerable effects on the resistivity and the DC magnetization. The effects of annealing on the resistivity are characterized by examining how the Residual Resistivity Ratio (RRR), the fitting parameters to an expression for the temperature dependence of the resistivity, the temperatures of the local maximum and local minimum of the resistivity at the Hidden Order phase transition and the Hidden Order Transition Width ∆THO change after annealing. The plots of one key fitting parameter, the onset temperature of the Hidden Order transition and ∆THO vs RRR are compared with those of Matsuda et al. [2]. Different media used to mount samples have some impact on how effectively the samples are cooled because the media have different thermal conductivity. The DC magnetization around the superconducting transition is presented for one unannealed sample under fields of 25 Oe and 50 Oe and one annealed sample under fields of 0 Oe and 25 Oe. The DC field dependent magnetization of the annealed Sample1-1 shows a typical field dependence of a Type-II superconductor. The lower critical field Hc1 is relatively high, which may be due to flux pinning by the crystal defects.

Planar Topological Defects in Unconventional Superconductors

In this work, we consider the properties of planar topological defects in unconventional superconductors. Specifically, we calculate microscopically the interaction energy of domain walls separating degenerate ground states in a chiral p-wave fermionic superfluid. The interaction is mediated by the quasiparticles experiencing Andreev scattering at the domain walls. As a by-product, we derive a useful general expression for the free energy of an arbitrary nonuniform texture of the order parameter in terms of the quasiparticle scattering matrix. The thesis is structured as follows. We begin with a historical review of the theories of superconductivity (Sec. 1.1), which led the way to the celebrated Bardeen-Cooper- Schrieffer (BCS) theory (Sec. 1.3). Then we proceed to the treatment of superconductors with so-called "unconventional pairing" in Sec. 1.4, and in Sec. 1.5 we introduce the specific case of chiral p-wave superconductivity. After introducing in Sec. 2 the domain wall (DW) model that will be considered throughout the work, we derive the Bogoliubov-de Gennes (BdG) equations in Sec. 3.1, which determine the quasiparticle excitation spectrum for a nonuniform superconductor. In this work, we use the semiclassical (Andreev) approximation, and solve the Andreev equations (which are a particular case of the BdG equations) in Sec. 4 to determine the quasiparticle spectrum for both the single- and two-DW textures. The Andreev equations are derived in Sec. 3.2, and the formal properties of the Andreev scattering coefficients are discussed in the following subsection. In Sec. 5, we use the transfer matrix method to relate the interaction energy of the DWs to the scattering matrix of the Bogoliubov quasiparticles. This facilitates the derivation of an analytical expression for the interaction energy between the two DWs in Sec. 5.3. Finally, to illustrate the general applicability our method, we apply it in Sec. 6 to the interaction between phase solitons in a two-band s-wave superconductor.

Étude des aimants quantiques et supraconducteurs non conventionnels

Une première partie de ce mémoire portera sur l’analyse des états fondamentaux ma- gnétiques de deux composés isolants et magnétiquement frustrés SrDy2O4 et SrHo2O4. Une étude de la chaleur spécifique à basse température sous l’effet de champs magné- tiques de ces échantillons a été menée afin de détecter la présence de transitions de phases. L’utilisation d’un composé isotructurel non magnétique, le SrLu2O4, a permis l’isolement de la composante magnétique à la chaleur spécifique. Les comportements observés sont non conformes avec les transitions magnétiques conventionnelles. De plus, le calcul de l’entropie magnétique ne montre qu’un recouvrement partiel de l’entropie associée à un système d’ions magnétiques. En second lieu, une analyse des oscillations quantiques de Haas-van Alphen a été effectuée dans le LuCoIn5, composé apparenté au supraconducteur à fermions lourds CeCoIn5. Les résultats obtenus montrent une topologie de la surface de Fermi très différente comparativement aux CeCoIn5 et LaCoIn5, ayant un comportement beaucoup plus tridimensionnel sans les cylindres caractéristiques présents chez les autres membres de cette famille. Finalement, le montage d’un système de détection PIXE a permis l’analyse nucléaire d’échantillons afin de déterminer la concentration de chacun des éléments les constituant. L’analyse a été effectuée sur une série d’échantillons YbxCe1−xCoIn5 dont le changement de concentration a des effets importants sur les propriétés du système.

Effet de la symétrie sur la supraconductivité de LaRhSi3 et la frustration magnétique du SrRE2O4 (RE = Dy ou Ho)

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.

Étude DFT+U des phases structurales du La2CuO4

Ce mémoire traite des propriétés du La2CuO4 dopé en trous, le premier supraconducteur à haute température critique ayant été découvert. Les différentes phases électroniques du cristal y seront présentées, ainsi que le diagramme de phases en dopage de ce matériau. Les trois structures dans lesquelles on peut retrouver ce cristal seront décrites en détail, et leurs liens présumés avec les phases électroniques seront présentés. Il s’en suivra une étude utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité combinée au modèle de Hubbard (DFT+U) des différentes phases structurales, en plus des phases antiferromagnétiques et paramagnétiques. L’effet de la corrélation électronique sur la structure cristalline sera également étudié par l’intermédiaire du paramètre de Hubbard. Le but sera de vérifier si la DFT+U reproduit bien le diagramme de phases expérimentales, et sous quelles conditions. Une étude des effets de l’inclinaison des octaèdres d’oxygène sur la structure électronique sera également présentée.

Analyse des propriétés électroniques de supraconducteurs à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité

Cette thèse traite de la structure électronique de supraconducteurs telle que déterminée par la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une brève explication de cette théorie est faite dans l’introduction. Le modèle de Hubbard est présenté pour pallier à des problèmes de cette théorie face à certains matériaux, dont les cuprates. L’union de deux théories donne la DFT+U, une méthode permettant de bien représenter certains systèmes ayant des électrons fortement corrélés. Par la suite, un article traitant du couplage électron- phonon dans le supraconducteur NbC1−xNx est présenté. Les résultats illustrent bien le rôle de la surface de Fermi dans le mécanisme d’appariement électronique menant à la supraconductivité. Grâce à ces résultats, un modèle est développé qui permet d’expliquer comment la température de transition critique est influencée par le changement des fré- quences de vibration du cristal. Ensuite, des résultats de calcul d’oscillations quantiques obtenus par une analyse approfondie de surfaces de Fermi, permettant une comparaison directe avec des données expérimentales, sont présentés dans deux articles. Le premier traite d’un matériau dans la famille des pnictures de fer, le LaFe2P2. L’absence de su- praconductivité dans ce matériau s’explique par la différence entre sa surface de Fermi obtenue et celle du supraconducteur BaFe2As2. Le second article traite du matériau à fermions lourds, le YbCoIn5. Pour ce faire, une nouvelle méthode efficace de calcul des fréquences de Haas-van Alphen est développée. Finalement, un dernier article traitant du cuprate supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 est présenté. À l’aide de la DFT+U, le rôle de plusieurs ordres magnétiques sur la surface de Fermi est étudié. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mesures d’oscillations quan- tiques mesurées dans ce matériau.

Étude du champ magnétique interne de deux matériaux magnétiques et d'un supraconducteur sans symétrie d'inversion.

Cette thèse est divisée en trois parties. Une première section présente les résultats de l'étude de la formation de polarons magnétiques liés (BMP) dans le ferroaimant EuB6 par diffusion de neutrons à petits angles (SANS). La nature magnétique du système ferromagnétique est observée sous une température critique de 15K. La signature des BMP n'apparaît pas dans la diffusion de neutrons, mais ces mesures permettent de confirmer une limite inférieure de 100\AA à la longueur de cohérence des BMP (xi_{Lower}). Dans un second temps, l'étude du LaRhSi3, un supraconducteur sans symétrie d'inversion, par muSR et ZF-muSR nous permet de sonder le comportement magnétique du système dans la phase supraconductrice. Aucun champ magnétique interne n'a été détecté en ZF-muSR sous la température critique (T_c = 2.2K). Cela indique que la phase supraconductrice ne porte pas de moment cinétique intrinsèque. L'analyse du spectre d'asymétrie sous l'application d'un champ magnétique externe nous apprend que le système est faiblement type II par l'apparition de la signature de domaines magnétiques typique d'un réseau de vortex entre H_{c1}(0) et H_{c2}(0), respectivement de 80+/- 5 et 169.0 +/- 0.5 G. Finalement, la troisième section porte sur l'étude du champ magnétique interne dans l'antiferroaimant organique NIT-2Py. L'observation d'une dépendance en température des champs magnétiques internes aux sites d'implantation muonique par ZF-muSR confirme la présence d'une interaction à longue portée entre les moments cinétiques moléculaires. Ces valeurs de champs internes, comparées aux calculs basés sur la densité de spins obtenue par calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité, indiquent que la moitié des molécules se dimérisent et ne contribuent pas à l'ordre antiferromagnétique. La fraction des molécules contribuant à l'ordre antiferromagnétique sous la température critique (T_c = 1.33 +/- 0.01K) forme des chaines uniformément polarisées selon l'axe (1 0 -2). Ces chaines interagissent antiferromagnétiquement entre elles le long de l'axe (0 1 0) et ferromagnétiquement entre les plan [-1 0 2].