Published October 29, 2003 | Version v1
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Magnetic quantum oscillations in systems of low dimensionality: study of the symmetry of the superconducting state in the compound UPt3

Description

In a first part, we develop the analytical theory of the de Haas-van Alphen (magnetization oscillations) and of the Shubnikov-de Haas (magnetoresistance oscillations) effects in the quasi-two-dimensional electronic systems, which consists of highly conducting layers with a small inter-plane dispersion for the quasi-particles. We show that the application of a magnetic field perpendicularly to the layers leads to the reduction of the apparent dimensionality of the system. In high magnetic fields, the behavior of the magnetization oscillations is close to that of a two-dimensional electrons gas. We study in details the influence of the chemical potential oscillations on the form of the de Haas-van Alphen oscillations in the presence of one or multiple bands of states at the Fermi level. The magnetization oscillations inside the superconducting mixed state are also investigated. We finally calculate the oscillations of the longitudinal magnetoresistance in the framework of the quantum transport theory in presence of point-like impurities. In high magnetic fields, we find giant oscillations with a thermally activated behavior of the resistance maxima. In a second part, we study the properties of the mixed state in the unconventional superconductor UPt3 for a magnetic field parallel to the hexagonal crystal axis mainly in the framework of the theoretical models of a two-component superconducting state coupled to a symmetry-breaking field. We investigate the form of the vortex lattice in the A phase of UPt3 from symmetry considerations and from the London local approximation, and show that only the superconducting state with the symmetry E2u is consistent with experiments. We also point out that the transition between the mixed phases A and B is rather a crossover than a second order phase transition due to the presence of mixing gradient terms in the expression of the Ginzburg-Landau free energy. Finally, we demonstrate that the dependence of the slope of the upper critical field at the critical temperature on the impurity concentration is not sensitive to the pairing symmetry. (author)

Abstract (French)

Dans une premiere partie, nous developpons la theorie analytique des effets de Haas-van Alphen (oscillations d'aimantation) et Shubnikov-de Haas (oscillations de magnetoresistance) dans les systemes electroniques quasi-bidimensionnels, qui sont constitues de couches tres bonnes conductrices avec une faible dispersion des quasi-particules entre les plans. Nous montrons que l'application d'un champ magnetique perpendiculairement aux couches a pour effet de reduire la dimensionnalite apparente du systeme. A fort champ magnetique, le comportement des oscillations d'aimantation est proche de celui d'un gaz d'electrons bidimensionnel. Nous etudions en detail l'influence des oscillations du potentiel chimique sur la forme des oscillations de Haas-van Alphen en presence d'une ou de plusieurs bandes d'etats au niveau de Fermi. Nous derivons egalement une expression pour les oscillations d'aimantation dans l'etat mixte supraconducteur. Nous calculons enfin les oscillations de la magnetoresistance longitudinale dans le cadre de la theorie du transport quantique pour un modele d'impuretes ponctuelles. A fort champ magnetique nous trouvons des oscillations geantes avec un comportement thermiquement active des maxima de resistance. Dans une deuxieme partie, nous etudions les proprietes de l'etat mixte dans le supraconducteur non-conventionnel UPt3 pour un champ magnetique parallele a l'axe hexagonal du cristal principalement dans le cadre des modeles theoriques d'un etat supraconducteur a deux composantes couple avec un champ briseur de symetrie. Nous examinons la structure du reseau de vortex dans la phase A de UPt3 a partir de considerations de symetrie et de l'approximation locale de London, et montrons que seul l'etat supraconducteur de symetrie E2u peut rendre compte des observations experimentales. Nous mettons egalement en evidence que la transition entre les phases mixtes A et B est plutot un crossover qu'une transition de phase du second ordre a cause de la presence de termes de gradients de melange dans l'expression de l'energie libre de Ginzburg-Landau. Enfin, nous demontrons que la dependance de la pente du second champ critique au niveau de la temperature critique en fonction du taux d'impuretes n'est pas sensible a la symetrie de l'etat supraconducteur

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Original title (French)
Oscillations quantiques magnetiques dans les systemes de basse dimensionnalite: etude de la symetrie de l'etat supraconducteur dans le compose UPt3

Publishing Information

Imprint Pagination
207 p.
Report number
FRCEA-TH--8829

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Notes
124 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Also available from Bibliotheques Universitaires, scd@ujf-grenoble.fr