Orientadores: Pascoal José Giglio Pagliuso, Ricardo Rodrigues Urbano

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin

Resumo: Nesta tese, são abordadas duas principais classes de materiais: os supercondutores à base de ferro e arsênico (FeAs) e os isolantes topológicos tridimensionais. Os supercondutores à base de FeAs foram descobertos em 2008 e desde então despertaram grande interesse na comunidade científica...

Resumo: Nesta tese, são abordadas duas principais classes de materiais: os supercondutores à base de ferro e arsênico (FeAs) e os isolantes topológicos tridimensionais. Os supercondutores à base de FeAs foram descobertos em 2008 e desde então despertaram grande interesse na comunidade científica como candidatos à supercondutividade não-convencional de alta temperatura. Dentre as várias estruturas à base de FeAs descobertas, em particular, a família BaFe2As2 (122) é uma das mais estudadas até o momento por ser um composto intermetálico possível de ser crescido com relativa facilidade e alta qualidade comparada às outras famílias. Este composto puro possui uma transição estrutural de tetragonal para ortorrômbica à uma temperatura Ts ? 139 K, e, diminuindo a temperatura, há uma transição magnética de paramagnético (PM) para uma ordem anti-ferromagnética tipo onda de densidade de spin (SDW, no inglês) em TSDW ? 134 K. Estas transições em Ts e TSDW são gradualmente suprimidas tanto por substituição química quanto por pressão aplicada, e, antes que sejam completamente suprimidas, supercondutividade é induzida. Nesta região onde a supercondutividade (SC) ainda está emergindo, há coexistência e/ou competição de SC e SDW, com a presença de momentos quase localizados do Fe. Estes momentos podem agir como centros eficientes de aprisionamento de vórtices (centros de pinning) que são suprimidos gradativamente por pressão aplicada, formando um efeito de pinning magnético que se manisfestaria na corrente crítica dessas amostras. Para estudar os possíveis efeitos de pinning magnético neste material, foram crescidas amostras com diferentes substituições químicas e realizados estudos de densidades de corrente crítica sob pressão e campos magnéticos aplicados. Enquanto observamos que a densidade de corrente crítica nas amostras estudadas é dominada pela evolução da temperatura crítica Tc, encontramos evidências indiretas para a presença de pinning magnético em nossas amostras, através da comparação da dependência com a pressão observada para a temperatura crítica supercondutora Tc e para a densidade de corrente crítica Jc. Quanto às transições estrutural e magnética, discute-se na literatura se nesses sistemas há dopagem eletrônica efetiva quando se realiza substituição química, ou se ocorre uma sintonização das propriedades pelo ajuste da geometria dos tetraedros de FeAs nos planos do material. Além disso, na faixa de temperatura entre Ts e TSDW, há certo debate se o material torna-se inteiramente ortorrômbico e PM, ou se há coexistência entre as fases tetragonal/PM e ortorrômbica/SDW. Neste trabalho, foram crescidos monocristais de Ba(Fe,M)2As2 (M = Co, Cu) e neles estudadas as transições estrutural e magnética e a fase entre elas utilizando técnicas de ressonância magnética nuclear (RMN), difração de raios-X e calor específico. Nossos resultados sugerem que, independente do substituinte, não há dopagem eletrônica e que a geometria nos planos de FeAs regula as propriedades do material. Além disso, mostramos que, de fato, existe coexistência entre as fases tetragonal/PM e ortorrômbica/SDW nas amostras. Estes resultados corroboram nossas próprias observações em amostras de (Ba,K)Fe2As2, o que também indica a independência dos resultados com o tipo, concentração e localização dos átomos substituintes na matriz 122. Os isolantes topológicos (ITs) são uma nova classificação da matéria proposta teoricamente e observada experimentalmente em 2006, e consistem de maneira simplificada em materiais que são isolantes de banda em seu volume, porém possuem estados de superfície metálicos robustos. As propriedades exóticas destes estados de superfície tornam estes materiais candidatos a aplicações em computação quântica e spintrônica. Muitas famílias foram propostas como ITs e estudadas recentemente, em particular a família 23 ((Bi,Sb)2(Se,Te)3) e a família dos half-Heuslers, que são o foco desta Tese. Porém, ainda há muitos aspectos destes materiais que não estão bem determinados, como por exemplo a penetração dos estados de superfície, e sua resposta a campos magnéticos e a radiações incidentes. Neste trabalho, sintetizamos cristais dos ITs da família 23 e o half-Heusler YBiPt, e os estudamos utilizando a técnica de ressonância de spin eletrônico (RSE). Para o YBiPt dopado com Nd3+, observamos um comportamento da forma de linha nãoconvencional do espectro de RSE do Nd3+, onde a forma da linha depende fortemente da potência da micro-ondas, das dimensões da amostra e da concentração de Nd3+. A este comportamento não convencional atribuímos a presença de um efeito de fônon bottleneck e à presença dos estados de superfície. Para o Bi2Se3, nossos resultados preliminares sugerem que os estados de superfície têm uma interação maior com as sondas de Gd3+ abaixo de 40 K, e que estes estados de superfície possuem caráter de orbitais p

Abstract: In this thesis, two main material classes are studied: the iron arsenide (FeAs) superconductors and the three-dimensional topological insulators. The FeAs based superconductors were discovered in 2008 and since then have aroused great interest in the scientific community as possible...

Abstract: In this thesis, two main material classes are studied: the iron arsenide (FeAs) superconductors and the three-dimensional topological insulators. The FeAs based superconductors were discovered in 2008 and since then have aroused great interest in the scientific community as possible unconventional high-temperature superconductors. Amongst the many FeAs bases structures that were discovered until now, the BaFe2As2 (122) family is one of the most studied for being an intermetallic compound which can be grown with reasonable ease and high quality when compared to other families. This pure compound presents a structural transition at Ts ? 139 K from tetragonal to orthorhombic, and a magnetic transition at a lower TSDW ? 134 K from paramagnetic (PM) to a spin density wave (SDW) anti-ferromagnetic order. Both transitions at Ts and TSDW are gradually suppressed by either chemical substitution or applied pressure, and, before both are completely suppressed, superconductivity emerges. In this region where superconductivity (SC) is still emerging, there is coexistence and/or competition between SC and SDW order, with the presence of Fe quasi-localized magnetic moments. Those moments may act as efficient pinning centers that are gradually suppressed by applied pressure, producing a magnetic pinning effect that would manifest itself in the critical currents of such samples. To study magnetic pinning effects in the 122 family, samples with different chemical substitutions were grown, and critical current density studies were performed under applied pressure and magnetic fields. While the behavior of critical current densities is dominated by the evolution of critical temperature Tc with pressure, we have found indirect evidences for the presence of magnetic pinning in our samples. Regarding the structural and magnetic transitions, there are evidences that, in the 122 system, there is no effective electronic doping when a chemical substitution is performed but a tuning of the system properties by the geometric configuration of FeAs tetrahedra in the material. Also, there is some debate if in the temperature range between Ts and TSDW the material becomes completely orthorhombic and PM, or if there is coexistence of tetragonal/PM and orthorhombic/SDW phases. In this work, Ba(Fe,M)2As2 (M = Co, Cu) single crystals were grown and their structural and magnetic transitions were investigated by nuclear magnetic resonance (NMR), X-ray diffraction and specific heat. Our results show that there is no effective electronic doping induced by any of the substitutions, and that it is the geometric configuration of FeAs tetrahedra that tunes the system properties. Also, we have shown that there is coexistence between tetragonal/PM and orthorhombic/SDW phases in these samples. The results confirm our previous observations made in (Ba,K)Fe2As2, which also indicates that our results do not depend on the type, concentration and placement of substituted atoms in the 122 matrix. Topological insulators (TIs) are a new class of condensed matter which was proposed theoretically and experimentally observed in 2006. They are, in a simplified view, materials which are band insulators in the bulk, but possess roubst intrinsic metallic surface states. The exotic properties of those surface states make these materials possible candidates in quantum computing and spintronic applications. Many different materials were proposed as TIs and recently studied, in particular the 23 family ((Bi,Sb)2(Se,Te)3) and the half-Heusler family, which are the focus of this thesis. Yet, there are several aspects of these materials which are not yet fully understood, such as the penetration of the surface states, and their response to magnetic fields and incident radiation. In this work, single crystals of the 23 and half-Heusler families were grown, and were studied by electronic spin resonance (ESR). For YBiPt, we observed an anomalous lineshape behavior, to which we attribute a phonon bottleneck effect and the presence of the surface states. For Bi2Se3, our preliminary results indicate that the surface states have an enhanced exchange interaction with the Gd3+ magnetic probes below 40 K, and that those surface states have a p-orbital character