Investigation of the electronic structure of complex materials by means of angle resolved photoemission spectroscopy
| Autor: | Kevin Raduenz Pakuszewski |
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| Přispěvatelé: | Adriano, Cris, 1980, Pagliuso, Pascoal José Giglio, 1971, Rouxinol, Francisco Paulo Marques, Garcia, Fernando Assis, Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Física Gleb Wataghin, Programa de Pós-Graduação em Física, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS |
| Rok vydání: | 2021 |
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| Zdroj: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) instacron:UNICAMP Kevin Raduenz Pakuszewski |
| DOI: | 10.47749/t/unicamp.2017.993793 |
| Popis: | Orientadores: Cris Adriano, Pascoal José Giglio Pagliuso Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Nesta dissertação são apresentados estudos via técnica de espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo (ARPES ¿ Angle Resolved Photoemission Spectroscopy) nos compostos de Ce2RhIn8 e Ba(Eu)Fe2As2, que apresentam fenômenos físicos complexos devido ao comportamento coletivo de elétrons interagentes. Nesses materiais, propriedades eletrônicas e magnéticas se inter-relacionam gerando interessantes propriedades físicas de difícil entendimento microscópico, como por exemplo, a supercondutividade não convencional. Desta maneira, justifica-se o uso da técnica de ARPES para o estudo da estrutura de bandas destes compostos, com o objetivo entender o comportamento microscópico dos elétrons interagentes próximo ao nível de Fermi. O composto Ce2RhIn8 pertence à família de férmions pesados supercondutores CemMIn3m+2 (M = Rh, Ir, Co e m = 1, 2) e apresenta uma estrutura cristalina do tipo tetragonal bicamada. Ele é um metal paramagnético em temperatura ambiente e apresenta um estado antiferromagnético abaixo de Tn = 2,8K. Esses sistemas apresentam uma variedade de fenômenos físicos interessantes, como supercondutividade não convencional, ordenamento magnético, comportamento não-líquido de Fermi e ocorrência de pontos críticos quânticos. A ocorrência de cada um desses fenômenos depende de um intricado equilíbrio entre as diversas interações que a atuam sobre o sistema, como efeito Kondo, interação magnética RKKY e efeito de campo cristalino. Para a família CemMIn3m+2, devido a atuação do efeito Kondo é previsto pela teoria que diversos compostos dela deveriam manifestar em sua estrutura de bandas a ocorrência de um gap de hibridização e o surgimento de uma banda plana em Ef devido a interação entre os elétrons localizados do nível 4f do cério e os elétrons de condução. Portanto, uma das motivações deste mestrado fora estudar a formação dessa banda plana em Ef para o composto Ce2RhIn8 por meio da técnica de ARPES em condição de ressonância (uma variação da técnica ARPES que permite intensificar a fotoemissão dos elétrons do orbital 4f do cério). Já os compostos supercondutores a base de ferro, EuFe2As2 e BaFe2As2 apresentam uma estrutura cristalina do tipo tetragonal em temperatura ambiente e possuem uma transição de fase cristalina em mais baixa temperatura, indo de uma estrutura tetragonal para ortorrômbica. Eles são metais paramagnéticos em temperatura ambiente e vão para um estado antiferromagnético do tipo onda de densidade de spin (SDW ¿ Spin Density Wave) abaixo de uma temperatura TSDW. Para os compostos a base de FeAs em geral, sua densidade de estados eletrônico próximo a ???????? é quase inteiramente dominada por elétrons provenientes do nível 3d do ferro. Ao todo, há cinco orbitais neste nível, sendo três orbitais degenerados t2g (dxy, dxz e dyz) e dois orbitais degenerados eg (dz2 e dx2-y2). A contribuição de cada orbital para a superfície de Fermi costuma variar de composto para composto, levando a diferentes comportamentos físicos de interesse em baixa temperatura, como ordenamento antiferromagnético do tipo SDW e supercondutividade não convencional. Como a superfície de Fermi é responsável por muitas das propriedades elétricas e magnéticas dos sólidos, determinar a contribuição orbital de cada banda é vital para ter o entendimento da física desses compostos em baixa temperatura, em particular o surgimento da supercondutividade. Portanto, o objetivo deste estudo nos compostos de EuFe2As2 e BaFe2As2 pela técnica ARPES, fora obter a partir do mapa de bandas desses materiais a composição orbital de cada banda que forma a superfície de Fermi, e comparar esses resultados com outras propriedades macroscópicas conhecidas na literatura. Na realidade, muitos estudos sugerem que os orbitais mais planares/bidimensionais (dxy/dx2-y2) tendem a favorecer a supercondutividade nessa classe de materiais. Dessa maneira, a técnica de ARPES se torna uma ferramenta muito poderosa, pois nos permite medir diretamente a estrutura de bandas do material e obter uma diferenciação orbital das bandas que formam a superfície de Fermi. Como veremos mais tarde, ARPES é uma técnica espectroscópica que usa fótons para excitar elétrons do sólido, onde intensidade da fotoemissão é extremamente dependente da geometria da medida, de modo que apenas alguns orbitais do nível 3d do ferro são visíveis para determinadas geometrias do experimento Abstract: In this work one presents Angle Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) studies on the distinct families of Ce2RhIn8 and Ba(Eu)Fe2As2, that have its properties governed by the collective behavior of the interacting electrons. In these compounds, the electronic and magnetic properties are inter related giving interesting phenomena, such as non-conventional superconductivity. Therefore, ARPES is a suitable technique that allows the study of the band structure of a solid, helping one to unravel the behavior of the interacting electrons close to the Fermi level. Ce2RhIn8 is a heavy fermion compound that belongs to the family of CemMIn3m+2 (M = Rh, Ir, Co and m = 1, 2), known to host a lot of heavy fermion superconductors. This compound presents a tetragonal bilayer crystal structure and is a paramagnetic metal at room temperature, but undergoes to an antiferromagnetic phase below TN = 2.8K. The heavy fermions compounds are known to present a diversity of physical phenomena, as unconventional superconductive, magnetic ordering, non-Fermi liquid behavior and the occurrence of quantum critical point. The manifestation of each one of these phenomena depend of an intricate equilibrium between several interactions that act on the system, e. g., Kondo effect, RKKY magnetic interactions and crystal field effect. For the family CemMIn3m+2, due the occurrence of Kondo effect, the theory predicts that several compounds from this family should to manifest in it band structure the emergence of a hybridization gap in the conduction bands, together with the arising of a flat band in EF due the hybridization between 4f electrons and conduction electrons. Therefore, one of the objectives during this master degree was to study the formation of this flat band in Ce2RhIn8 compound by means of on-resonance ARPES, a variation of ARPES technique, which enable us to enhance the photoemission from 4f orbital and measure this band. The Fe-based superconductors, EuFe2As2 and BaFe2As2 present a tetragonal crystal structure at room temperature and undergo to an orthorhombic structure in a temperature TS. They are paramagnetic metal at room temperature and presents a spin density wave (SDW) phase below TSDW. For the FeAs-based compounds, their density of states near EF is almost universal, mainly populated by electrons from 3d level of iron. The Fe 3d level has five orbitals, where we have three-fold degenerate t2g states (dxy, dxz and dyz) and two-fold degenerate eg states (dz2 and dx2-y2). The contribution of each orbital to the Fermi Surface usually change considerably from compound to compound, which lead to a diversity of physical phenomena at low temperature, e. g., SDW antiferromagnetism and unconventional superconductive. As the Fermi surface is responsible for many of the electrical and magnetic proprieties in the solids, determining the orbital contribution of each band that form the Fermi surface is essential to have a correct understand about the physics behind these compounds, in particular, the arising of superconductivity. Therefore, one of the motivations to study the EuFe2As2 and BaFe2As2 by means of ARPES technique was the idea to obtain the orbital contribution of each band that form the Fermi surface in these compounds and compare our result with other macroscopic proprieties of them in the literature. Actually, many studies suggest that the predominance of planar/bidimensional orbitals (dxy/dx2-dy2) at the Fermi surface favors the arising of superconductivity in this class of materials. Thus, the ARPES technique is a very powerful tool to probe directly the band structure of the material and thereby obtain the orbital character of each band near the Fermi surface. As we will see later, ARPES is a spectroscopy technique that use photons to excite electrons from solids, where the intensity of photoemission is extremely dependent of the experimental geometry, in such way that only some orbitals from Fe 3d level can be detected in a fixed geometry Mestrado Física Mestre em Física CNPQ 132654/2015-6 FAPESP 2015/18544-2, 2012/04870-7, 2012/04870-7 CAPES |
| Databáze: | OpenAIRE |
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