Unconventional behavior of Ce and Yb compounds induced by extreme pressure

• Thesis title in Czech: Neobvyklé chování Ce a Yb sloučenin vyvolané působením extrémního tlaku
• Thesis title in English: Unconventional behavior of Ce and Yb compounds induced by extreme pressure
• Key words: vzácnozeminné sloučeniny, Ce2Pd2In, magnetický stav, hydrostatický tlak, jednoosý tlak
• English key words: rare-earth intermetallics, Ce2Pd2In, magnetic state, hydrostatic pressure, uniaxial pressure
• Academic year of topic announcement: 2021/2022
• Thesis type: rigorosum thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Condensed Matter Physics (32-KFKL)
• Supervisor: doc. RNDr. Jiří Prchal, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 16.02.2022
• Date of assignment: 16.02.2022
• Confirmed by Study dept. on: 16.02.2022
• Date and time of defence: 14.03.2022 00:00
• Date of electronic submission: 16.02.2022
• Date of submission of printed version: 16.02.2022
• Date of proceeded defence: 14.03.2022

Guidelines

- Studium doporučené literatury
- Příprava monokrystalu vybraného vzorku pro vysokotlaké experiment (kandidáty jsou např. Yb2AlSi2 či Ce2Pd2In)
- Orientace připraveného monokrystalu pomocí Laue rentgenové difrakce, nařezání a finální úpravavzorků vhodných pro měření jednotlivých veličin
- Základní charakterizace za normálního tlaku, stanovení magnetokrystalové anizotropie
- Příprava experimentů za vysokého tlaku
- V závislosti na dosažených výsledcích a velikosti připraveného vzorku bude uvážen experiment při jednoosém tlaku

References

1) N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Saunders College, Philadelphia 1976
2) S. Blundel: Magnetism in Condensed Matter, Oxford University Press, 2001
3) M. Eremets: High Pressure Experimental Methods, Oxford University Press, 1996
4) S. Klotz: Techniques in High Pressure Neutron Scattering, CRC Press – Taylor & Francis Group, 2013
5) články v odborné literature dle doporučení vedoucího či konzultanta

Preliminary scope of work

Neceločíselná valence a valenční fluktuace vzácnozeminných prvků (např. Ce, Yb, Eu) jsou známé jevy, které jsou v dnešní době ve velké míře studovány, ať už experimentálně nebo teoreticky. Změny valenčního stavu jsou svázány s nástupem (či naopak vymizením) magnetismu příslušného atomu, což je dáno přítomností jediného elektronu (Ce3+), který může za magnetický moment zodpovídat, zatímco změnou valence k Ce4+ tuto schopnost ztratí, nebo naopak v případě Ytterbia uvolnění jednoho elektronu ze stavu 4f14 (Yb2+), ve kterém do té doby magnetický moment vzniknout nemohl, jak předpokládají Hundova pravidla a se změnou do stavu Yb3+ tento moment vznikne. Se změnou valence je spojen také různý efektivní poloměr odpovídajícího atomu a vzájemné interakce 4f- a vodivostních elektronů. Valenční změny se tedy zákonitě odráží též ve změně krystalové mříže. Na pomezí obou hraničních stavů s rozdílnými valencemi lze pozorovat různé typy chování. Ke změně valenčního stavu může docházet ostrou změnou chování (prudký nástup nových vlastností látky – magnetismus, strukturní skok včetně změny krystalové symetrie apod.). Druhou možností je postupná změna efektivní valence, která se jeví jako neceločíselná. Jednou z možností je rovněž pomezní jev zvaný valenční fluktuace – dynamický proces střídání různých valencí s charakteristickou frekvencí změny. Valenční fluktuace souvisí také s nekonvenčními jevy (tlakem indukovaná supravodivost apod.).

V rámci diplomové práce hodláme systematicky zkoumat některou z intermetalických sloučenin na bázi Ytterbia či Ceru, zejména kandidáty na pomezí valenčních přechodů či kritikalit. Konkrétně se jedná o sloučeniny typu 2:1:2 (Yb2AlSi2 a Ce2InPd2). Obě krystalizují ve specifickém typu krystalové mříže - tzv. Shastry-Sutherland Lattice (SSL). Jde o tetragonální strukturu charakterizovanou typy rovin obsahujícími výhradně prvek vzácné zeminy (Ce, Yb), alternované s rovinami naopak nemagnetickými (bez Ce/Yb). Tato vlastnost je spojena se specifickými fyzikálními jevy, z nichž řada dosud nebyla objasněna.
Vzhledem ke studiu monokrystalu je možné podrobit zkoumání právě anizotropii fyzikálního chování. Za tím účelem je možné aplikovat působení vnějších parametrů (pole, tlak) podél jednotlivých krystalografických směrů. To představuje v našem konkrétním případě jedinečnou možnost ovlivnit vzdálenosti (a tím interakce) atomů (kupříkladu nejbližších sousedů) v bazální rovině či mezi rovinami.

Preliminary scope of work in English

A noninteger valence and valence fluctuations of the rare-earth elements (like Ce, Yb, Eu) are well known effects, nowadays intensively studied by both – experimental and theoretical methods. Valence changes are usually connected with onset (or suppression) of magnetism of the particular element what is given by the presence of the only one electron (case of Ce3+), responsible for the magnetic moment. Once the valence is changed to Ce4+ this property is lost. On the other hand - the releasing of one electron from the Yb2+ state (so far nonmagnetic according to Hund’s rules) results in the Yb3+ state where the magnetic moment arises. Together with the change of valence also a change of effective radius of the rare-earth atom and the interaction of 4f- and conduction electrons takes place. Thus the changes of valence are connected with structural changes. On the border of both states one can observe various types of physical behavior. The valence can be changed through a sharp transition (step-like change of the properties like magnetism structural step including possible change of the lattice symmetry etc.). Another possibility is a consequent evolution of the effective valence appearing as a noninteger value. One possible effect is so called valence fluctuation – dynamical process when the border valence states alternate with characteristic frequency. Valence fluctuations are connected also with unconventional phenomena like pressure induced superconductivity and others.

In frame of master thesis, we intend to study the intermetallic compound containing Ytterbium and/or Cerium, especially candidates on the border of valence transitions or criticalities. Particularly, we will deal with 2:1:2 compound(s) (Yb2AlSi2 and/or Ce2InPd2). Both of them adopt specific type of the crystal lattice type - so called Shastry-Sutherland Lattice (SSL), for which is characteristic the tetragonal structure with planes containing solely the Rare-earth element (Yb, Ce) alternated by non-magnetic planes (without Yb or Ce). This feature is conected with specific physical phenomena, many of them have not been explained so far.
In the case of singlecrystals, the anisotropy of physical behavior can be investigated. An application of the uniaxial pressure along individual crystallographic directions enables us to directly affect the distances (and thus the interactions) between the atoms in the basal plane or between the planes.