The magnetization processes of antiferromagnetically (AF) coupled Co/Pt multilayers on extended substrates and of Co/Pd multilayers deposited on arrays of 58 nm spheres are investigated via magnetic force microscopy at room temperature by imaging the domain configuration in magnetic fields. Adding AF exchange to such perpendicular anisotropy systems changes the typical energy balance that controls magnetic band domain formation, thus resulting in two competing reversal modes for the system. In the ferromagnetic (FM) dominated regime the magnetization forms FM band domains, vertically correlated. By applying a magnetic field, a transition from band to bubble domains is observed. In the AF-exchange dominated regime, by applying a field or varying the temperature it is possible to alter the magnetic correlation from horizontal (AF state) to vertical (FM state) via the formation of specific multidomain states, called metamagnetic domains. A theoretical model, developed for complex multilayers is applied to the experimentally studied multilayer architecture, showing a good agreement. Magnetic nanoparticles have attracted considerable interest in recent years due to possible applications in high density data storage technology. Requirements are a well defined and localized magnetic switching behavior and a large thermal stability in zero fields. The thermal stability of [Co/Pt]N multilayers with different numbers of repeats (N), deposited on nanospheres is studied by magnetic viscosity measurements. The magnetic activation volume, representing the effect of thermal activation on the switching process, is estimated. It is found that the activation volume is much smaller than the volume of the nanosphere and almost independent of the number of bilayers supporting an inhomogeneous magnetization reversal process.

The vicinity of continuous quantum phase transitions displays unique properties such as scaling behavior and incoherent excitation spectra which are not found in any stable phase of matter. This fascinating quantum critical regime is crucial for progress on key problems of modern condensed matter physics. The three research projects of this thesis challenge and refine our understanding of quantum criticality in different ways. Part I concerns unexpected quantum critical behavior near the Mott transition. The bandwidth-controlled Mott transition in the half-filled one-band Hubbard model is one of the most paradigmatic phenomena of strongly correlated physics. Within the approximation of dynamical mean-field theory (DMFT) this metal-insulator transition is of first order at low temperatures, with the transition line ending at a critical temperature. Surprisingly, numerical calculations with DMFT and experiments in organic salts consistently found quantum critical scaling of the resistivity above the critical temperature. The aim of this project is to explain this unexpected scaling in the absence of a quantum critical point in the phase diagram. To this end, we perform extensive DMFT simulations with the numerical renormalization group as a state-of-the-art impurity solver. We find that the quantum critical scaling can be traced back to the metastable insulator at the boundary of the coexistence region at T = 0 which exhibits previously unknown scale-invariance on the frequency axis. In Part II we study how magnetic quantum criticality is affected by the coupling to additional non-critical degrees of freedom. Considering typical electronic energy scales the study of quantum critical phenomena in magnets requires very low temperatures in the sub-100mK range. In this regime additional effects which are typically neglected in the theoretical modeling may become important. Here we focus on one particular example, which is the hyperfine coupling to nuclear spins. We investigate the fate of the quantum critical behavior at lowest temperatures and determine crossover scales below which a purely electronic description is no longer sufficient. Explicit calculations for paradigmatic models on the level of mean-field theory plus Gaussian fluctuations reveal that the quantum phase transition can be shifted or smeared in the presence of nuclear spins. More exotic effects of nuclear spins, e.g. in spin liquids, are discussed on a qualitative level. Part III is devoted to the discussion of domain-driven phase transitions in easy-axis ferromagnets.This work is motivated by an experimental study of LiHoF4, a dipolar easy-axis ferromagnet that displays a well-studied quantum phase transition from a ferromagnetic to a paramagnetic phase as function of a transverse field. Measurements of the ac susceptibility found a well-defined phase transition even in tilted fields where the Ising symmetry is explicitly broken and Landau theory of the microscopic order parameter predicts a crossover. We are able to explain and model the transition in tilted fields by the inclusion of domain effects, i.e., by taking into account the spontaneous breaking of translational symmetry by mesoscale pattern formation in the ferromagnetic phase. The modeling of stray-field energies as effective antiferromagnetic couplings between magnetization components in different domains is in excellent quantitative agreement with the experimental results.:1 Phases and their transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1 Thermal and quantum phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Theoretical description of phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3 Project overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 I Mott quantum criticality in the one-band Hubbard model . . . . . . . . . . .15 2 Introduction to the Mott transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1 Metal-insulator transitions and the Hubbard model . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 A local perspective: the idea of dynamical mean-field theory . . . . . . . . . 19 2.3 Quantum critical scaling near the Mott transition . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Dynamical mean-field theory (DMFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1 Single-impurity Anderson model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Theoretical foundations of DMFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3 Wilson's numerical renormalization group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4 Implementation and choice of parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4 Power-law spectra and quantum critical scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.1 Scale-invariant solutions of DMFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2 Spectral power laws at T=0 in the metastable insulator . . . . . . . . . . . 40 4.3 Finite-temperature crossovers in the spectral function . . . . . . . . . . . . 47 4.4 Resistivity scaling driven by spectral power laws . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.5 Scaling analysis of the dynamic susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.6 Ideas and obstacles towards an analytical understanding . . . . . . . . . . . 62 4.7 Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 II Limits on magnetic quantum criticality from nuclear spins . . . . . . . . . . . . .65 5 Stability of magnetic transitions to hyperfine coupling . . . . . . . . . . . . . . . .66 5.1 Nuclear spins near quantum criticality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2 Introduction to nuclear spins and hyperfine coupling . . . . . . . . . . . . . 67 5.3 Magnetic phases in the presence of nuclear spins . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.4 Two scenarios for magnetic quantum criticality plus nuclear spins . . . . . . 70 6 Paradigmatic models for magnetic quantum phase transitions . . . . . . . . . 73 6.1 Transverse-field Ising model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2 Coupled-dimer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.3 Frustrated spin models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7 Crossover scales introduced by nuclear spins . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 7.1 Shifted transitions: transverse-field Ising magnets . . . . . . . . . . . . . . . 83 7.2 Smeared transitions: coupled-dimer magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.3 Additional transitions due to nuclear spins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4 Exotic magnetic quantum phase transitions plus nuclear spins . . . . . . . . 101 7.5 Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 III Domain-driven phase transitions in easy-axis ferromagnets . . . . . . . . 105 8 Easy-axis ferromagnet LiHoF4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.1 Easy-axis ferromagnets in tilted fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.2 LiHoF4 and its phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 9 Modeling of microscopic degrees of freedom in LiHoF4 . . . . . . . . . . . . 112 9.1 Landau theory in tilted fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 9.2 Crystal field effects and microscopic Hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . 113 9.3 Crossovers in the microscopic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 10 Modeling of mesoscopic degrees of freedom in LiHoF4 . . . . . . . . . . . . . . .123 10.1 Domains in ferromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 10.2 Modeling of domain effects as effective interactions . . . . . . . . . . . . . . 127 10.3 Combined mean-field Hamiltonian and domain optimization . . . . . . . . . 130 10.4 Nature of the phase transition in tilted fields . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 10.5 Domain-driven phase transition at T = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 10.6 Domain-driven phase transition at finite temperatures . . . . . . . . . . . . 141 10.7 Comparison with experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.8 Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 IV Summary & Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 V Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A Part I: NRG level spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 B Part I: Analytical properties of scale-invariant DMFT solutions . . . . . . . . . . .159 B.1 Kondo perturbation theory as an impurity solver . . . . . . . . . . . . . . . 159 B.2 Analytical properties of a power-law self-energy . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C Part I: Scaling analysis of the resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 D Part II: Solution of the transverse-field Ising model with nuclear spins . . . . . . 172 D.1 Holstein-Primakoff representation of the electronic and nuclear spins . . . . 172 D.2 Determination of the classical reference state . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 D.3 Excitation spectrum of the coupled nuclear-electronic model . . . . . . . . . 175 D.4 Magnetization, susceptibility, and heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . 177 E Part II: Solution of the coupled-dimer model with nuclear spins . . . . . . . . . . . 181 E.1 Bond-operator description of the electronic spins . . . . . . . . . . . . . . . 181 E.2 Determination to the electronic ground state . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 E.3 Holstein-Primakoff representation of the nuclear spins . . . . . . . . . . . . 188 E.4 Excitation spectrum of the coupled nuclear-electronic model . . . . . . . . . 189 E.5 Staggered magnetization and susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 F Part III: Calculation of domain-induced effective interactions . . . . . . . . . . . . . 198 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Concrete domains have been introduced in the area of Description Logic to enable reference to concrete objects (such as numbers) and predefined predicates on these objects (such as numerical comparisons) when defining concepts. Unfortunately, in the presence of general concept inclusions (GCIs), which are supported by all modern DL systems, adding concrete domains may easily lead to undecidability. To regain decidability of the DL ALC in the presence of GCIs, quite strong restrictions, in sum called ω-admissibility, were imposed on the concrete domain. On the one hand, we generalize the notion of ω-admissibility from concrete domains with only binary predicates to concrete domains with predicates of arbitrary arity. On the other hand, we relate ω-admissibility to well-known notions from model theory. In particular, we show that finitely bounded homogeneous structures yield ω-admissible concrete domains. This allows us to show ω-admissibility of concrete domains using existing results from model theory. When integrating concrete domains into lightweight DLs of the E L family, achieving decidability is not enough. One wants reasoning in the resulting DL to be tractable. This can be achieved by using so-called p-admissible concrete domains and restricting the interaction between the DL and the concrete domain. We investigate padmissibility from an algebraic point of view. Again, this yields strong algebraic tools for demonstrating p-admissibility. In particular, we obtain an expressive numerical p-admissible concrete domain based on the rational numbers. Althoughω-admissibility and p-admissibility are orthogonal conditions that are almost exclusive, our algebraic characterizations of these two properties allow us to locate an infinite class of p-admissible concrete domains whose integration into ALC yields decidable DLs.

The Rayleigh law describes the linear dependence of the permittivity of a ferroelectric on the applied ac electric field amplitude due to irreversible motions of domain walls. We show that this gives rise to a new equivalent-circuit element predestined to fit the impedance spectra of ferroelectrics based on an accepted physical model. Such impedance spectroscopy is a powerful tool to obtain a dielectric and resistive representation of the entire sample structure. The superiority of the Rayleigh analysis based on impedance spectroscopy compared to the common single-frequency approach is demonstrated for a ferroelectric Si : HfO₂ thin film

In der vorliegenden Arbeit wurden die mikromagnetische Struktur sowie das Ummagnetisierungsverhalten epitaktisch gewachsener MnAs Filme auf dem Substrat GaAs untersucht. Im Mittelpunkt steht die mikromagnetischen Struktur von anisotrop erspannten MnAs Filmen auf GaAs(001). Die Verspannung führt zur selbstorganisierten Anordnung ferromagnetischer Streifen. Ihre Domänenstruktur wurde mittels MFM (magnetischer Kraftmikroskopie) bestimmt und mit den Resultaten der XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) verglichen. Um eine vollständige Charakterisierung der mikromagnetischen Eigenschaften der Streifenstruktur zu erreichen, wurden die MFM Experimente in einem äusseren Magnetfeld durchgeführt. Die Beantwortung der zentralen Frage nach der Domänenstruktur ist mit der Entwicklung eines mikromagnetischen Simulators für dreidimensionale magnetische Strukturen auf mesoskopischer Skala gelungen. Die Stabilität der dreidimensionalen mikromagnetischen Struktur hängt von den Eigenschaften der selbstorganisierten Streifenstruktur ab, d.h. sowohl von der Filmdicke als auch vom Verhältnis ihrer Breite zur Filmdicke - und damit der Temperatur. Durch die Erkenntnis, dass eine magnetische Struktur in der Tiefe des Streifens vorhanden ist, können die verbleibenden Unterschiede in den XMCDPEEM- und MFM-Resultaten erklärt werden. Durch die Simulationsergebnisse in Kombination mit den Experimenten wird eine widerspruchsfreie Deutung der mikromagnetischen Struktur sowie deren Ummagnetisierungsverhalten ermöglicht. Zudem wird die mikromagnetische Struktur von MnAs auf GaAs(111) simuliert und damit das Verständnis der mikromagnetischen Strukturen auf alle vorhandenen Substratorientierungen vervollständigt. / In the present thesis the micromagnetic structure, as well as the magnetization reversal, of epitaxial MnAs films on GaAs substrates are studied. The investigation is focused on the micromagnetic structure of anisotropically strained MnAs films on GaAs(001). The strain originates a selforganized array of ferromagnetic stripes. The magnetic domains were investigated using MFM (magnetic force microscopy) and the results were compared with XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy). To completely characterize the micromagnetic properties of the stripe structure, MFM experiments were performed in the presence of an external field. To unambiguously determine the domain structure a three-dimensional micromagnetic simulator was developed capable to calculate magnetic structures with mesoscopic dimensions. The stability of the three-dimensional micromagnetic structure depends on the properties of the selforganized stripe structure, i.e., on the film thickness as well as on the ratio of the stipe width to thickness - and thus the temperature. Taking into account the magnetization distribution in-depth, the remaining differences between the XMCDPEEM and the MFM results can be explained by the disturbing effect of the MFM tip. The results of the micromagnetic simulations, in combination with the experimental results, allow for a determination of the micromagnetic structure in an applied field throughout the phase coexistence regime. Moreover, the micromagnetic structure of MnAs films on GaAs(111) is simulated and thus the understanding of the micromagnetic properties have been extended on all substrate orientations.

This thesis reports the inspection and manipulation of thin ferroelectric films of lead titanate (PbTiO3 : PTO), lead zirconium titanate (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT), and barium titanate (BaTiO3 : BTO) by means of scanning force microscopy - specifically Piezoresponse and Kelvin-Probe. The film thickness of the investigated samples ranged between 50nm and 800nm. This experimental work focussed on the following issues: native domain structures, creation of domains by short voltage pulses and area-switching with the force microscope, local qualitative and quantitative measurements of the ferroelectric hysteresis loops, and investigations at the interface between film and platinum-electrode in the PZT/Pt-System. Lamellar domain structures were visualized with high lateral resolution of 5nm on the surface of the PTO-samples, whereas the PZT- and BTO-samples showed prepolarisation and no domains. In the switching experiments a pronounced thickness dependence was found and partly a good agreement to macroscopic measurements. For BTO-films of 50nm and 125nm thickness no stable switching of polarisation could be observed. Using appropriate preparation methods it was possible to provide evidence of a 200nm thick interface layer with reduced polarisation above the electrode in the PZT/Pt-system. / Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung dünner ferroelektrischer Schichten von Bleititanat (PbTiO3 : PTO), Bleizirkoniumtitanat (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT) und Bariumtitanat (BaTiO3 : BTO) und deren Manipulation auf der sub-µm-Skalamittels Rasterkraftmikroskopie. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von 50nm bis 800nm. Zum Einsatz kamen die Meßmodi Piezoresponse und Kelvin-Sonde. Die experimentelle Arbeit erstreckte sich über die Abbildung von Domänenstrukturen, die Erzeugung von Domänen durch kurze Spannungspulse und flächiges Umschalten mit dem Kraftmikroskop, lokale qualitative und quantitative Messungen der ferroelektrischen Hysterese, sowie Untersuchungen an der Grenzschicht zwischen Film und Platin-Elektrode am PZT/Pt-System. Lamellenartige Domänenstrukturen konnten mit hoher lateraler Auflösung von 5nm auf der Oberfläche von PTO abgebildet werden. Die PZT- und BTO-Proben waren vorpolarisiert und es ließen sich keine Domänen nachweisen. Bei den Schaltversuchen wurde eine ausgeprägte Schichtdickenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärken und teilweise gute Übereinstimmung mit makroskopischen Messungen gefunden. Für dünne BTO-Schichten von 50nm und 125nm Dicke konnte kein stabiles Umschalten der Polarisation gezeigt werden. Mittels geeigneter Präparation der PZT/Pt-Grenzschicht konnte durch direkte Messung eine Schicht von 200nm Dicke mit verminderter Polarisation oberhalb der Elektrode nachgewiesen werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt.

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