Charge and Entropy Transport in Dilute metals
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Sorbonne universitéDisciplines:
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Abstract EN:
This manuscript focuses on the electronic heat/charge transport dichotomy and the beyond-quantum-limit transport properties of dilute metals.In the first part, we report on a study of two semi-metals, WP2 and Sb. In both cases, we found that the Wiedemann-Franz (WF) law is recovered at low temperature (T ≈ 2 K), but not at T ≈ 15 K. We show that the finite-temperature deviation from the WF law is due to a mismatch between the prefactors of the T 2-resistivities. In the Boltzmann picture of transport, this difference is associated with abundant small-angle scattering among electrons. However, we argue that momentum-conserving fermionic collisions in normal-state liquid 3He also produce a thermal T2-resistivity. This opens the door for an alternative interpretation : the existence of a hydrodynamic regime of electrons in these semi-metals. In this scenario, the larger T2 thermal resistivity is due to momentum-conserving electronic collisions. In the case of Sb, the ratio of the two T2-prefactors evolves with sample size. This observation supports the hydrodynamic scenario. Finally, we find a large hydrodynamic correction in the phononic thermal conductivity. The second part deals with the fate of the Fermi sea in the quantum limit (QL). In the doped semi-conductor InAs, we observe a field-induced insulating state for all geometries of transport. The comparison with the succession of field-induced states in graphite up to B = 90 T reveals that the ground state of a 3D electron gas beyond the QL is system-dependent. The observation of a saturating resistivity accompanied by vanishing thermoelectric coefficients in InAs points to the existence of a conductive surface state.
Abstract FR:
Cette thèse traite la dichotomie entre transport électronique de charge et de chaleur ainsi que les propriétés de transport au-delà de la limite quantique dans les métaux dilués. D’abord, nous étudions deux semi-métaux, WP2 et Sb. La loi de Wiedemann-Franz (WF) y est satisfaite à basse température (T≈2K) mais violée à T≈15K. Cette déviation à température finie à la loi de WF résulte de la différence entre les préfacteurs des T2-résistivités. Dans un cadre boltzmannien, cette différence est associée à une abondance de collisions électroniques à petit angle. Cependant, l’exemple de l’3He liquide montre que des collisions fermioniques qui conservent le moment total conduisent à une T2-résistivité thermique. Une interprétation différente est alors possible dans WP2 et Sb : la possible existence d’un régime hydrodynamique des électrons. Pour Sb, le ratio entre les T2-préfacteurs des résistivités thermique et électrique évolue avec la taille du système. Cette découverte appuie le scénario hydrodynamique. Enfin, nous montrons l’existence de corrections hydrodynamiques dans la conductivité thermique due à un autre type de quasiparticules, les phonons. La seconde partie de cette thèse traite du destin de la mer de Fermi au-delà de la limite quantique (QL). Dans le semi-conducteur dopé InAs, nous rapportons l’existence d’un état isolant induit par le champ magnétique selon toutes les géométries de mesure. La comparaison avec la succession d’états induits par le champ dans graphite jusqu’à B=90T révèle que l’état fondamental d’un gaz d’électrons 3D au-delà de la QL n’est pas universel et dépend du système. Nos résultats suggèrent l’existence d’un état de surface conducteur dans InAs.