Soutenance de thèse de Hancheng Yang

Hancheng Yang, doctorant dans l'équipe Design et étude de nouveaux matériaux à propriétés remarquables (DEMARE) soutient sa thèse le jeudi 18 mars à 14 h.

IMPMC - Sorbonne Université - 4 place Jussieu, 75005 Paris, tour 23, 4e étage, couloir 22-23, salle 401

Magneto-transport properties of transition metal chalcogenides with non-Fermi liquid behavior

Résumé

Afin d’explorer les corrélations électroniques dans les dichalcogénures de métaux de transition stratifiés, nous avons mené une étude systématique sur les propriétés de transport des monocristaux de PdTe2, V5S8 (ou V0,25VS2) et V3S4 (ou V0,5VS2) en fonction de la température, du champ magnétique et de la pression. 

Une étude du système de supraconducteur et d’electrons faiblement corrélé PdTe2 et de son dérivé Cu-intercalé Cu0,05PdTe2 constitue la première étape de notre travail. Pour les deux composés, on observe un comportement inattendu de la résistivité à basse tem- pérature, juste au-dessus de la température critique, qui se traduit par une loi de puissance de T4. Ce phénomène particulier, qui a déjà été observé dans le graphène multicouche et les hétérostructures bidimensionnelles de semi-conducteurs avec faible densité de porteurs, suggère une forte restriction de l’espace de phase pour la diffusion électron-phonon dans ce dichalcogénure de métal de transition. 

La deuxième partie est consacrée à V5S8 où les atomes V intercalés s’ordonnent mag- nétiquement en dessous de TN = 32 K sans aucun ordre dans les couches VS2. Nos mesures de la résistivité en champ zéro révèlent la faible anisotropie du transport des porteurs de charge, tandis qu’une anisotropie plus forte de la magnétorésistance est attribuée à la structure du spin. La dépendance de la résistivité à la température indique un passage de liquide de Fermi à non Fermi lorsque la pression est appliquée. Une image de Doniach qui implique la compétition entre l’effet Kondo et l’interaction RKKY est proposée pour comprendre ce phénomène. 

La troisième partie est dédiée à V3S4 où les couches VS2 sont intercalées avec des chaînes VS2 infinies. Ce composé ne présente pas d’ordre magnétique à longue distance mais la susceptibilité magnétique suit remarquablement la modèle de la chaînes d’Haldane avec S = 1. Les mesures de résistivité reflètent cette propriété avec une forte anisotropie dans le plan et un comportement liquide non Fermi le long des chaînes. 

En conclusion, ces résultats de trois différents dichalcogénures de métaux de transition stratifiés permettent de mieux comprendre leurs propriétés de transport électronique. Les expériences mettent en évidence à la fois les fortes corrélations électroniques dans V5S8 et V3S4 et leurs comportements liquides non-Fermi. L’observation du passage d’un liquide de Fermi à un liquide non Fermi dans V5S8 encourage à poursuivre les recherches à une pression plus élevée et à une température plus basse. 

Abstract

The objective of the present thesis is to investigate the possibility of Fermi liquid (FL) to non Fermi liquid (NFL) crossover in selected quasi two-dimensional (2D) layered transition metal dichalcogenides (LTMDs). For this purpose, we used chemical intercala- tion, pressure and magnetic field as control parameters of the strength of the electronic correlations in the following two model systems: CuxPdTe2 and VxVS2. As experimental probes of the correlations, we carried out a systematic investigation of the thermodynamic and transport properties by means of specific heat, magnetisation and electrical resistivity measurements on single crystals. 

As preliminary step, we studied the stability of the superconducting and topological properties of the weakly correlated electron system CuxPdTe2 under high pressure. For both pristine x = 0 and intercalated x = 0.05 compounds, we found an unconventional T4 power-law behavior of the resistivity in a wide temperature range up to ∼ 40 K, remarkably stable under high pressure. This peculiar phenomenon, previously observed in multilayer graphene and bidimensional semiconductor heterostrutures with low carrier densities, is explained by a strong phase-space restriction for electron-phonon scattering and by a sizable electron-phonon coupling. 

Second, we focused on V5S8 obtained by self-intercalating x = 0.25 V atoms between VS2 layers. This system is remarkable for an antiferromagnetic order of the intercalated V3+ (S = 1) ions below TN = 32 K, while the metallic VS2 layers remain paramagnetic. Our zero-field resistivity measurements reveal the weak anisotropy of the charge carrier transport properties, while a stronger anisotropy in the magnetoresistance is attributed to the magnetic order. The temperature dependence of the resistivity indicates a Fermi-to- non-Fermi liquid crossover induced by pressure. To account for this result, we propose a scenario consistent with Doniach’s phase diagram, where the competition between Kondo and RKKY interaction is controlled by the density of states and the exchange coupling between conduction electrons and localised moments. 

The third and last part of the thesis is devoted to V3S4, where the concentration of the self-intercalating V atoms between VS2 layers is as high as x = 0.5, which leads to the formation of 1D VS chains. Interestingly, the long-range magnetic order observed for x = 0.25 is suppressed but the magnetic susceptibility displays an anomalous behavior consistent with a S = 1 Haldane-chain model. Our resistivity measurements support this scenario. Namely, we found a remarkably linear temperature dependence of ρ(T) along the chain direction at low temperature, a clear indication of NFL behavior, while the dependence along the other directions follows a conventional Bloch-Grüneisen behavior. 

The above results give evidence of sizable electronic correlations in both V5S8 and V3S4, which is unexpected for LTMDs. Our data analysis suggests a scenario where the combination of reduced dimensionality and of sizable correlations between conduction and localised electrons enables not only to drive a full FL to NFL crossover but also to achieve unusual magnetic properties concomitant to a bad metallic transport. Further studies may investigate the possibility that different concentrations of the intercalant may induce superconductivity and topological properties. This would offer a unique playground to study the interplay between topological superconductivity in the presence of sizable electronic correlations at the verge of a FL-NFL instability. 

Jury

• Claude Pasquier - Rapporteur
• Etienne Janod - Rapporteur
• Baptise Vigolle - Examinateur
• Tristan Cren - Examinateur
• Brigitte Léridon - Examinatrice
• Marie-Aude Measson - Examinatrice
• Yannick Klein - Co-directeur
• Andrea Gauzzi - Directeur