This document is a review on the quantum magnetic properties of heavy-fermion $f$-electron metals. It is a 'light' version of the manuscript prepared for my 'Habilitation à diriger des recherches', sent to the Jury on 29 October 2020 and defended on 9 April 2021. Small modifications were made to the manuscript on 20 July 2021. - 7 Chapters, 258 pages, 130 Mo (may be slow to download)
在这篇文章中，我提出了一个关于重费米子问题的个人观点，在实验指导下的唯象方法。这篇评论介绍了一套“历史”的作品，在过去的几十年里建立了主题的基础。一个详尽和系统的方法是特权。在第二章作了一般介绍之后，第三、四、五章分别讨论重费米子顺磁体、反铁磁体和铁磁体的性质。第6章和第7章专门讨论两种特定的化合物：URu $_2$ Si $_2$和UTe $_2$，前者的“隐藏有序”相是30多年来未解之谜，后者的多个超导相是近两年来发现的。使用一系列技术进行实验，从微观（中子散射，NMR等）热力学（比热，磁化强度等）和传输（电阻率等）综述了在低温、强磁场和高压等极端条件下的探针。他们表明，磁性在重费米子系统的量子临界特性中起着核心作用。强调的是给intersite的磁波动，提出作为重费米液体的驱动力，前体的量子磁临界结束在磁有序相。它们也被怀疑驱动一种非常规的超导机制，这种机制在压力或磁场下诱导的量子磁相变附近发展。重费米子化合物中的磁涨落和最终磁有序的出现发生在近整数价区，其中$f$电子具有双巡游定域特征。费米面和价的研究，这给互补的信息，这种二元性，也被认为是。
英文摘要：
In this document, I present a personal view on the heavy-fermion problem, within a phenomenological approach guided by experiments. This review presents a set of 'historical' works which established the ground bases of the thematic during the last decades. An exhaustive and systematic approach is privileged. After a general presentation in Chapter 2, the properties of heavy-fermion paramagnets, antiferromagnets, and ferromagnets are considered in Chapters 3, 4, and 5, respectively. Chapters 6 and 7 are dedicated to two specific compounds, URu$_2$Si$_2$ for which a 'hidden-order' phase constitutes a more-than-thirty-years-old unsolved mystery, and UTe$_2$, where multiple superconducting phases have been discovered in the last two years. Experiments performed using a panel of techniques ranging from microscopic (neutron scattering, NMR, etc.) to thermodynamic (specific heat, magnetization, etc.) and transport (electrical resistivity, etc.) probes, under extreme conditions of low temperatures, intense magnetic fields and high pressures, are reviewed. They show that magnetism plays a central role in the quantum critical properties of heavy-fermion systems. An emphasis is given to the intersite magnetic fluctuations, presented as the driving force for a heavy Fermi liquid, precursor of quantum magnetic criticality ending in magnetically-ordered phases. They are also suspected to drive an unconventional mechanism for superconductivity, which develops in the vicinity of quantum magnetic phase transitions induced under pressure or magnetic field. The appearance of magnetic fluctuations and ultimately magnetic order in heavy-fermion compounds occurs in a nearly-integer-valence regime, in which $f$ electrons have a dual itinerant-localized character. Fermi-surface and valence studies, which give complementary information about this duality, are also considered.
The dual nature of magnetism in a uranium heavy fermion system
在$5\textit{f}$电子系统中，磁性的定域性和巡游性之间的二元性一直是一个长期存在的难题。在这里，我们报告的非弹性中子散射测量，这揭示了本地和巡回方面的磁性在一个单晶系统的UPt $_{2}$ Si $_{2}$。在反铁磁状态下，我们观察到广泛的连续的扩散磁散射与$\approx$ 7 meV的共振间隙，并令人惊讶的相干自旋波的情况下，巡回磁性的暗示。当Neel温度以上的间隙关闭时，强的动态自旋相关持续到高温。然而，总磁谱权重的大小和温度依赖性可以很好地描述与$J=4$的本地矩。此外，极化中子测量显示，磁波动主要是横向的，很少或根本没有预期的巡游时刻的纵向分量。这些结果表明，本地和巡回磁性的双重描述，需要了解UPt $_{2}$ Si $_{2}$，并通过扩展，其他5 $f$系统一般。
Interplay of Magnetism and Topological Superconductivity in Bilayer Kagome Metals
二元金属间化合物材料$M_3$ Sn $_2$（$M$ = 3d过渡金属）呈现出一类新的强相关系统，其自然地允许磁性和金属性的相互作用。使用第一性原理计算，我们确认，散装铁$_3$锡$_2$是一个铁磁金属，并显示$M$ = Ni和Cu是具有非平凡的能带结构的顺磁性金属。专注于Fe $_3$ Sn $_2$，以了解在实验相关的原子薄的单kagome双层增强相关的效果，我们的从头计算结果表明，尺寸限制自然暴露的平坦性能带结构与双层kagome几何形状在所得的铁磁陈金属。我们使用一个多级的最小建模的磁性带逐渐接近费米能量。这有效地捕获了陈金属的物理特性，在材料相关参数范围内具有非零异常霍尔响应，以及自旋极化带的可能超导不稳定性，从而导致拓扑超导体。
Block spin magnetism and metal-insulator transition in a two-dimensional Hubbard model with perfect vacancy superstructure
本文研究了具有完全空位超结构的正方晶格哈伯德模型的相图。该模型也可以定义在一个新的二分格上，每个构建块由一个最小正方形组成。精确求解了非相互作用模型，在弱的块间跳跃区，费米能级处出现了中带隙。增加库仑相互作用将发展具有不同块自旋矩的Néel反铁磁序。在磁不稳定性$U_{\rm M}$之上发生了$U_{\rm MI}$小于无空位的金属-绝缘体转变。新兴的中间磁性金属相发展基本上在温和的块间跳跃制度。在非相互作用的带状绝缘体的边缘上的有序矩和间隙幅度的急剧增加表明磁性半导体和莫特绝缘体之间可能存在区别。这些结果对最近发现的（A，Tl）$_{y}$ Fe $_{2-x}$ Se $_2$化合物的意义进行了讨论.
结果表明，重电子的巡游局域跃迁发生在近藤-海森堡晶格的磁有序相内。用连续时间量子蒙特卡罗方法结合动力学平均场论导出了相图和电子结构。在巡游局域化跃迁附近，费米面上出现了几乎平坦的带，准粒子重整化因子几乎为零。与此同时，出现了一个能量尺度很小的强局域磁涨落。考虑到反铁磁和铁磁海森堡相互作用，在CeRh $_{1-x}$ Co $_x$ In $_5$，CeRu $_2$（Si $_x$ Ge $_{1-x}$）$_2$，UGe $_2$和CeT $_2$ Al $_{10}$（T=Fe，Ru，Os）中观察到的丰富相图上实现了一致的理解。
Covalent bonds against magnetism in transition metal compounds
过渡金属化合物的磁性通常从描述孤立离子开始，尽可能准确，并在稍后阶段处理它们的（交换）相互作用。我们发现，这种标准的方法可能会打破在许多情况下，特别是在$4d$和$5d$化合物。我们认为，有一个重要的intersite效应-共价金属-金属键的轨道选择性的形成，这导致了“排斥”相应的电子从磁性子系统，从而强烈影响系统的磁性。这种效应在非整数电子数时尤为突出，当它导致著名的双交换抑制时，双交换是过渡金属化合物铁磁性的主要机制。我们通过分析和数值方法研究了这种新型机制，并表明它不仅解释了几种$4d-5d$材料的磁性，包括Nb $_2$ O $_2$ F $_3$和Ba $_5$ AlIrPDMATHABMP O $_{11}$，而且还可以在$3d$过渡金属氧化物中发挥作用，例如在压力下的CrO $_2$中。我们还讨论了自旋-轨道耦合在共价性和磁性竞争中的作用。我们的研究结果表明，强的intersite耦合可能会使考虑磁性的标准单站点起点失效，并可能导致一个定性的新行为。
Coexistence of long-range magnetic order and dynamical magnetism in the V-based Kagome metals: A combined thermodynamic and $μ$SR study
Kyushu Institute of Technology（九州工业大学）；Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；National Cheng Kung University（国立成功大学）
Theory of unconventional magnetism in a Cu-based kagome metal
Universität Würzburg（维尔茨堡大学）；Istituto Officina dei Materiali, Consiglio Nazionale delle Ricerche（意大利国家研究委员会材料研究所）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；University of Geneva（日内瓦大学）；University of Technology Sydney（悉尼科技大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Bologna（博洛尼亚大学）
Robust Half-Metallic Character and Large Oxygen Magnetism in a Perovskite Cuprate
新型钙钛矿铜酸盐材料Sr $_{8}$ CaRe $_{3}$ Cu $_{4}$ O $_{24}$具有铁磁性质，居里温度高（$T_c \sim$ 440 K），通过密度泛函理论计算发现，在空穴掺杂或化学取代后，表现出几个令人惊讶的性质：（1）通过用W或Mo取代Re实现了半金属（HM），而$T_c$保持较高;（2）空穴掺杂的Sr $_{8}$ CaRe $_{3}$ Cu $_{4}$ O $_{24}$也是具有高$T_c$的HM。此外，我们发现，O原子将携带一个大的磁矩空穴掺杂后，这是在强烈的对比，在固体磁性的普遍接受的概念，需要部分填充的$d$或$f$电子在阳离子的壳。因此，材料Sr $_8$ CaRe $_3$ Cu $_4$ O $_{24}$有望为材料设计和开发提供非常有用的平台。
