In dieser Arbeit wurden mit Hilfe von Transportmessungen – vor allem mit thermischem Transport bei sehr tiefen Temperaturen – intermetallische Seltenerdverbindungen untersucht. Diese Materialien sind oft durch starke elektronische Korrelationen gekennzeichnet, die zu neuartigen Eigenschaften führen. Um die Wechselwirkungen in den untersuchten Systemen zu beeinflussen, führten wir ein Magnetfeld als zusätzlichen Parameter ein. Damit untersuchten wir drei Fragestellungen. Im ersten Teil überprüften wir die Gültigkeit des Wiedemann-Franz-Gesetzes in YbRh2Si2. Dieses Material zeigt einen durch ein kleines Magnetfeld induzierten quantenkritischen Punkt, für dessen unkonventionelle Eigenschaften es noch keine allgemein etablierte mikroskopische Theorie gibt. Mit Hilfe des Wiedemann-Franz-Gesetzes haben wir untersucht, ob eine solche Theorie im Rahmen des Quasiteilchenbildes formuliert werden kann. Während wir eine Bestätigung für Magnetfelder abseits des quantenkritischen Punktes zeigen, ergibt unsere Analyse direkt am quantenkritischen Punkt eine Verletzung des Weidemann-Franz-Gesetzes. Dies hat weitreichende physikalische Folgen, da eine Verletzung den Zusammenbruch des Konzeptes von Quasiteilchen impliziert. In der zweiten Studie untersuchten wir die Kondogittersysteme YbRh2Si2 und CeRu2Si2 in Magnetfeldern mit Energien von der Größenordnung der Kondotemperatur. Beide Systeme zeigen bislang ungeklärte feldinduzierte Übergänge mit sehr unterschiedlichen Signaturen jedoch den selben Vorschlägen für deren Ursache: ein abrupter Zusammenbruch des Kondoeffekts oder ein Lifshitzübergang. Mit Thermokraft- und Widerstandsmessungen konnten wir für CeRu2Si2 zeigen, dass auch der thermische Transport kompatibel mit einem Lifshitzübergang ist. Ein globales Modell, das thermodynamische Größen mit einschließt, ist jedoch weiterhin nicht vorhanden. In YbRh2Si2 detektierten wir anstatt eines einzelnen, insgesamt drei Übergänge in höheren Magnetfeldern. Mithilfe einer sehr guten Übereinstimmung von renormalisierten Bandstrukturrechnungen mit unseren und früheren Experimenten, können wir die Entwicklung von YbRh2Si2 im Magnetfeld als Superposition von einer stetigen Unterdrückung des Kondoeffekts und drei Lifshitzübergängen beschreiben. Im dritten Projekt untersuchten wir den supraleitenden Ordnungsparameter von LaPt4Ge12. Während frühere Experimente auf konventionelle Supraleitung hindeuten, wird für das eng verwandte PrPt4Ge12 unkonventionelle und/oder Multiband-Supraleitung diskutiert. Resultate an der Substitutionsreihe LaxPr1-xPt4Ge12 suggerieren jedoch kompatible Ordnungsparameter für beide Verbindungen. Unsere Ergebnisse der spezifischen Wärme und der temperatur- und feldabhängigen Wärmeleitfähigkeit an LaPt4Ge12 sind kompatibel mit dem Modell konventioneller Supraleitung ohne Nullstellen im der supraleitenden Bandlücke. Die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Feldwinkel zeigt unerwartet umfangreiche Oszillationsmuster. Während solche Oszillationen oft als Zeichen von Nullstellen in der Bandlücke interpretiert werden, konnten wir die meisten Frequenzen anderen Ursachen zuordnen. Eine sehr genaue Analyse von winkelabhängigen Messungen ist daher unabdingbar, um daraus Schlussfolgerungen für den Ordnungsparameter ziehen zu können.

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Thermal conductivity and thermopower measurements in strongly correlated electron systems at low temperatures

CeCu_2Si_2 was the first heavy-fermion compound showing signatures of bulk superconductivity (T_c = 0.5 K). Further observations have put in evidence the correlations between superconductivity, magnetic order, Kondo physics, and quantum critical phenomena. In spite of the interest generated, a systematic study of such correlations was hampered by strong sample dependences. Fortunately, the inherent complexity associated to the stoichiometric composition has been recently understood. The availability of single-crystals with well-defined properties has thus reignited the interest in CeCu_2Si_2 as a window to novel phenomena, such as unconventional superconductivity. The present work summarizes the results of my doctoral research. It exemplifies the importance not only of high-quality materials, but also of suitable experimental techniques. A first step in this project involved the design of angle-dependent techniques in the milli-kelvin range, namely: electrical resistivity and thermal conductivity. It comprised the development of a rotational stage, the construction of sample holders, and the implementation of controlling and measuring components. In the second part of the project, electrical- and thermal-transport measurements on CeCu_2Si_2 were performed. Power-law behavior below T_c in the thermal conductivity suggests the presence of lines of nodes in the gap function. Also, the non-vanishing extrapolated residual terms (k_00/T ) support the presence of a residual density of states. The nodes are broadened by potential scattering, which appears to be significant in CeCu_2Si_2. The scattering hinders the determination of the symmetry of the order parameter and might be responsible for the observed isotropic angle dependence of the thermal conductivity. In contrast, angle-dependent measurements of the upper critical field exhibit a four-folded behavior, which also points towards the presence of nodes. By comparing with a weak-coupling model including the effects of Pauli limiting and anisotropic Fermi velocity, the results point towards a d_xy-wave symmetry of the order parameter. Such results represent the first angle-dependent measurements supporting a d-wave symmetry in CeCu_2Si_2.

Typischerweise sind Plasmen extrem heiß - diese hohen Energien sind nötig, um die Ionisationsschwelle der Atome zu überwinden und damit einen stabilen Plasmazustand zu gewährleisten. Folglich werden die physikalischen Eigenschaften dieser Plasmen für gewöhnlich durch die thermischen Energie der Plasmateilchen bestimmt, während Korrelationen zwischen den Ladungen eine untergeordnete Rolle spielen. Durch die rasanten Fortschritte auf dem Gebiet der ultrakalten Gase ist es jedoch ebenso möglich, Plasmen bei extrem tiefen Temperaturen zu erzeugen, indem lasergekühlte Atome photoionisiert werden. In diesen ultrakalten Plasmen (UKP) lassen sich aufgrund der niedrigen Temperaturen bereits deutliche Auswirkungen von Korrelationen beobachten, die zu gänzlich anderer Dynamik führen können als aus dem Bereich der heißen schwach gekoppelten Plasmen bekannt. Ähnliche Prozesse werden auch in dichten Plasmen beobachtet, in denen durch extrem kurzen Teilchenabstände die Wechselwirkungsenergie auch bei Temperaturen von über 10000 Kelvin die kinetische Energie dominiert. Dichte Plasmen spielen eine wichtige Rolle für technische Anwendungen wie die Trägheitsfusion. Im Gegensatz zu diesen dichten Plasmen realisieren UKP starke Korrelationen jedoch bei sehr viel geringen Dichten von ρ ∼ 10^9 cm^{−3} . Die daraus resultierende langsame Dynamik ist experimentell wesentlich besser zugänglich und macht diese System deshalb besonders interessant, um Korrelationseffekte in stark gekoppelten Plasmen zu studieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Effekten von starken Korrelationen auf verschiedene Relaxationsprozesse, die insbesondere, aber nicht ausschließlich in UKP eine bedeutende Rolle spielen. Neben dem fundamentalen Interesse an diesen Prozessen gilt ein Augenmerk auch möglichen experimentellen Tests der getroffenen Vorhersagen. Da die Theorie der schwach gekoppelten Plasmen Korrelationen größtenteils vernachlässigt, ist sie im Regime der UKP nur eingeschränkt anwendbar. Zur Berücksichtigung der starken Korrelationen werden in dieser Arbeit umfangreiche molekulardynamischen Simulationen eingesetzt, die teilweise mit quantenmechanischen Beschreibungen kombiniert werden, um den in UKP relevanten atomphysikalischen Aspekten gerecht zu werden. Im Rahmen dieser Rechnungen wird zunächst die seit langem ungeklärte Frage der Atombildung bei tiefen Temperaturen beantwortet. Dieser Prozess ist für UKP besonders relevanten, da die Rekombination die Lebensdauer des Plasmas bestimmt. Die konventionelle Theorie für Rekombination basiert auf der Annahme von von isolierten Drei-Körper-Stößen. Die daraus resultierende Rate divergiert mit abnehmender Temperatur und verliert daher ihre Gültigkeit im ultrakalten Bereich. In dieser Arbeit wird die Beschreibung der Rekombination mit Hilfe aufwendiger Vielteilchen-Simulationen auf den stark gekoppelte Bereich ausgebaut. Hierbei zeigt sich, dass die Rekombinationsrate im Bereich tiefer Temperaturen auf einen konstanten Wert konvergiert, so dass das Problem der divergierenden Rate gelöst werden kann. Ein weiteres, seit langem kontrovers diskutiertes Problem, stellt die Relaxation aufgrund von elastischen Stößen in stark gekoppelten Plasmen dar. Auch hier gilt, dass die konventionelle Theorie für heiße Plasmen, die auf Landau und Spitzer zurückgeht, aufgrund der Vernachlässigung von Korrelationen im Regime starker Kopplung unzureichend wird. Bisher waren keine experimentellen Ergebnisse verfügbar, um die verschiedenen Vorschläge zur Erweiterung der Landau-Spitzer-Beschreibung auf den stark gekoppelten Bereich zu beurteilen. In enger Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. T. C. Killian (Rice University, Houston, USA) können im Rahmen dieser Arbeit nun erstmals Relaxationsraten in stark gekoppelten Plasmen gemessen werden. Dazu wird mittels eines Pump-Probe-Verfahren die Relaxation der ionischen Geschwindigkeitsverteilung in UKP beobachtet. In dieser Arbeit konnte eine Methode zur Interpretation der experimentellen Daten entwickelt und durch semiklassische Simulationen der Parameterbereich enorm erweitert werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Landau-Spitzer-Theorie bereits bei geringen Kopplungsstärken deutliche Defizite aufweist und liefern erstmalig Vorhersagen im stark gekoppelten Bereich. Bei der Untersuchung der ionischen Relaxation wird deutlich, dass insbesondere experimentelle Ergebnisse bei hohen Kopplungsstärken von Interesse sind. Derzeit sind typische UKP-Experimente jedoch auf mäßige Kopplungsstärken limitiert. Ursache hierfür ist, dass das Plasma in einem Zustand weit entfernt vom Gleichgewicht erzeugt wird. Bei der Relaxation ins Gleichgewicht kommt es zu einer Ausbildung von Korrelationen und damit zu einer Umwandlung von potentieller in kinetische Energie. In dieser Arbeit wird deshalb ein neues Plasmaherstellungsverfahren vorgeschlagen, das für die Ionen dieses „Korrrelationsheizen“ stark unterdrücken kann. Durch eine kollektive Anregung kalter Atome in Rydberg-Zustände werden vor der Photoionsation der Atome Korrelationen im atomaren Gas induziert. Es wird gezeigt, dass diese Korrelationen durch eine selektive Ionisation der Rydberg-Atome mit Hilfe von Mikrowellen an das Plasma weitergegeben werden können. Dadurch verringert sich das Korrelationsheizen und eröffnet neue Perspektiven für Untersuchungen ultrakalter Plasmen tief im stark gekoppelten Regime.

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InGaN based light emitting devices operating in the blue and near UV spectral regions are commercialized and used in many applications. InGaN heterostructures experience compositional inhomogeneity and thus potential fluctuations, such that regions of higher indium composition are formed and correspond to lower potentials. The indium rich regions form localization centers that save carriers from non-radiative recombination at dislocations, thus despite the large defect density, their quantum efficiency are surprisingly large. However, the conventional c-plane InGaN QWs suffer from high internal piezoelectric and spontaneous fields. These fields are detrimental for the performance of such structures as they lead to the quantum confined stark effect causing red-shift of the emission as well as reducing the electrons and holes wavefunctions overlap, thereby reducing the radiative recombination rate. However, growth of InGaN QWs on semipolar and nonpolar planes greatly reduced the polarization fields. Semipolar and nonpolar QWs experience an outstanding property which is polarized luminescence, opening a new frontier for applications for InGaN emitting devices. While nonpolar QWs have larger degree of polarized emission than semipolar QWs, semipolar QWs can emit in longer wavelengths due to their higher indium uptake. In this thesis, semipolar 20¯21 and nonpolar m-plane InGaN/GaN QWs were investigated. Photoluminescence, spectral and polarization dynamics were all studied in order to form a whole picture of the carrier dynamics in the QWs. Time resolved photoluminescence measurements were conducted for following carriers distribution between extended and localized states. Both the semipolar and nonpolar samples showed efficient luminescence through short radiative recombination times, as well as carrier localization in lower potential sites after thermal activation of excitons. Carrier localization was found to be benign as it didn’t degrade the performance of the samples or decrease the polarization ratio of their emission. However, the structures showed modest potential variations with the absence of deep localization centers or quantum dots. High polarization ratios were measured for both samples, which is well-known for nonpolar QWs. The high polarization ratio for the semipolar sample is of great importance, thus semipolar 20¯21 QWs should be considered for longer wavelength emitters with highly polarized spontaneous emission.

Optoelectronics is quickly becoming a fast emerging technology field. It refers to detect or emit electromagnetic radiation, and convert it into a form that can be read by an integrated measuring device. These devices can be a part of many applications like photodiodes, solar cells, light emitting diode (LED), telecommunications, medical equipment, and more. Due to their different applications, the semiconductor optoelectronic devices can be divided by their operating wavelength and working mechanisms. In this work, I have focused on semiconductor plasmonic systems operating in the mid-infrared and on the optical detectors made of 2D materials operating in the UV-visible spectral range. Mid-infrared plasmonic devices are very attractive for chemical sensing. Our results show that ultra-doped n-type GaAs is ideal for mid-infrared plasmonics, where the plasmon wavelength is controlled by electron concentration and can be as short as 4 μm. Ultra-doped n-type GaAs is achieved using ion implantation of chalcogenides like S and Te followed by nonequillibrium thermal annealing, namely ns-range pulsed laser melting or ms-range flash lamp annealing. I have shown that the maximum electron concentration in our GaAs layer can be as high as 7×10¹⁹ cm⁻³, which is a few times higher than that obtained by alternative techniques. In addition to plasmonic applications, the ultra-doped n-type GaAs shows negative magnetoresistance, making GaAs potential material for quantum devices and spintronic applications. UV-visible optical detectors are made of 2D materials based on van der Waals heterostructures, i.e. transition metal dichalcogenides (TMDCs) e.g. MoSe₂ and transition metal chalcogenophosphates (TMCPs) with a general formula MPX₃ where M=Fe, Ni, Mn and X=S, Se, Te. The external quantum efficiency of a self-driven broadband photodetector made of a few layers of MoSe₂/FePS₃ van der Waals heterojunctions is as high as 12 % at 532 nm. Moreover, it is shown that multilayer MoSe₂ on FePS₃ forms a type-II band alignment, while monolayer MoSe₂ on FePS₃ forms a type-I heterojunction. Due to the type-I band alignment, the PL emission from the monolayer MoSe₂ is strongly enhanced.

Denna uppsats är en kvalitativ intervjuvstudie med syftet att undersöka personalen i fritidshemmets föreställningar om “starka elever” och deras beskrivning av hur de arbetar med “starka elevers” kunskapsutveckling. Genom tematiska analyser i relation till det sociokulturella perspektivet på lärande ges studien möjlighet att förstå hur de situationer som lärarna beskriver kan vara möjligheter för en kognitiv utveckling hos eleverna. En ”stark elev” i fritidshemmet beskrivs vara en elev som besitter goda kvalitéer att råda i en social praktik och därmed förstå hur man vårdar sociala relationer.  Den “starka eleven” nyttjar sina kvalitéer på ett sätt som gynnar sig själv och andra vilket gör att den ”starka eleven” beskrivs som en förebild som inspirerar sina kamrater.  Vem den ”starka eleven” är beror på vilka aktiviteter fritidshemmet erbjuder i stunden, där den “starka eleven” ser möjligheter för lärande. För att främja kunskapsutveckling hos de ”starka eleverna” bidrar lärarna med kommunikativa redskap, samt låter eleven själv vara med och utvecklas i ett gemensamt lärande. Därav beskrivs den "starka eleven" ofta få ansvara för sin egen utveckling.

This PhD thesis focuses on the mutual interplay of frustration and quenched disorder in magnetic insulators. Frustrated quantum magnets are known to host a plethora of interesting many-body phenomena ranging from noncollinear N\'el ordering to spin liquid phases. In this thesis, the consequences of the breakdown of translation symmetry, a widely occurring phenomenon in real materials, are studied in several examples of frustrated spin systems. The thesis is split into two parts dedicated to different kinds of frustrated magnets and the effects of quenched random perturbations in them. In the first part, bond randomness in frustrated noncollinear ordering is considered. Noncollinear magnetic orders originating from the spontaneous breakdown of continuous spin rotation symmetries at zero temperature are found to be unstable in the presence of exchange randomness. It is shown that in this case, the frustrated N\'{e}el ordering is destroyed for any magnitude of random exchange disorder. The resulting disordered ground states, however, possess interesting distinctions depending on the precise nature of the broken spin rotation symmetry. For SU(2) Heisenberg spins, it is demonstrated that the weak disordered ground describes a classical spin glass at zero temperature with a finite correlation length. At higher disorder, enhanced quantum fluctuations are predicted to modify that ground state into a random-singlet-like form. On the other hand, for noncollinear XY spin systems with U(1) or SO(2) symmetry which have stable integer-valued vortex topological defects, it is instead found that the weak disorder and the strong disorder ground states are distinct even at the classical level. The former has a quasi-long range order spin arrangement, while the latter exhibits a truly short-range ordered state. These two phases are shown to be separated by a Kosterlitz-Thouless-like phase transition point where vortex unbinding takes place. The spontaneously broken chiral degeneracy of noncollinear N\'el ordering is witnessed to be robust up to the point of the vortex-driven phase transition. In the second part of the thesis, the focus is switched to the effects of quenched disorder on quantum spin liquids. These are quantum disordered phases of matter with long-range entanglement, topological order, and fractionalised excitations that often arise in frustrated spin systems. The U(1) Dirac spin liquid with its magnetic monopole excitations has been identified as a parent state for N\'{e}el, valence-bond solid, and algebraic spin liquid phases. In this thesis, the fate of this state is studied in the presence of quenched random perturbations. It is demonstrated that a wide class of random perturbations induce monopole-driven confinement of the fractionalised quasi-particles of the spin liquid, leading to the onset of a spin glass-like order. Finally, dilution effects in the $\rm Z_2$ spin liquid phase of the Kitaev model are discussed in the presence of generic symmetry allowed interactions. The spin-liquid state remains stable when the non-Kitaev perturbations and dilution are small. However, the low-energy properties of the ground state are altered. It is shown that the degeneracies from the Majorana zero modes, which are known to localise at defect sites of the Kitaev spin liquid, are generically lifted by the non-Kitaev perturbations. Consequently, a dilution-tuned impurity band with a finite density of states is found to emerge.