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Sr₃Ru₂O₇ is a quasi-two-dimensional metal and has a paramagnetic ground state that is heavily renormalised by electron-electron correlations and magnetic exchange interactions. Inextricably linked to this renormalisation is the metamagnetism of Sr₃Ru₂O₇ - a rapid rise in uniform magnetisation over a narrow range of applied magnetic field. Knowledge of the zero-field physics is essential to any description of the metamagnetism. Light may be shed on the enigmatic ground state of Sr₃Ru₂O₇ by doping the crystal lattice with foreign cations: this is the primary purpose of the original research referred to in this thesis, in which studies of some of the electronic properties of crystals of cation-doped Sr₃Ru₂O₇ are reported. Single crystals of Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Ti[subscript(x)])₂O₇ and Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Cr[subscript(x)])₂O₇ have been synthesised in an image furnace and some of the properties of these crystals have been measured. Evidence that indicates the emergence of a spin density wave as a function of Ti-doping in Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Ti[subscript(x)])₂O₇ is presented. Time-dependent magnetic irreversibility has been observed in samples of Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Cr[subscript(x)])₂O₇, thus hinting at the involvement of the RKKY mechanism in these materials. Regarding cation doping out of the conducting RuO₂ planes, samples of (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ have been grown and investigated. Both the Sommerfeld coefficient and the Fermi liquid A coefficient of (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ are found to decrease as a function of y (0 ≤ y ≤ 0.02); these observations point towards a reduction in the thermodynamic mass of the Landau quasiparticles. Results from magnetoresistance and magnetisation measurements indicate that the metamagnetism of the (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ series probably cannot be explained by a rigid band-shift model. Also, some aspects of these data imply that the metamagnetism cannot be fully accounted for by a spin fluctuation extension to the Ginzburg-Landau theory of uniform magnetisation.

This thesis considers quantum impurity models that exhibit a quantum phase transition (QPT) between a Fermi liquid strong coupling (SC) phase, and a doubly-degenerate non-Fermi liquid local moment (LM) phase. We focus on what can be said from exact analytic arguments about the LM phase of these models, where the system is characterized by an SU(2) spin degree of freedom in the entire system. Conventional perturbation theory about the non-interacting limit does not hold in the non-Fermi liquid LM phase. We circumvent this problem by reformulating the perturbation theory using a so-called `two self-energy' (TSE) description, where the two self-energies may be expressed as functional derivatives of the Luttinger-Ward functional. One particular paradigmatic model that possesses a QPT between SC and LM phases is the pseudogap Anderson impurity model (PAIM). We use infinite-order perturbation theory in the interaction, U, to self-consistently deduce the exact low-energy forms of both the self-energies and propagators in each of the distinct phases of the model. We analyse the behaviour of the model approaching the QPT from each phase, focusing on the scaling of the zero-field single-particle dynamics using both analytical arguments and detailed numerical renormalization group (NRG) calculations. We also apply two `conserving' approximations to the PAIM. First, second-order self-consistent perturbation theory and second, the fluctuation exchange approximation (FLEX). Within the FLEX approximation we develop a numerical algorithm capable of self-consistently and coherently describing the QPT coming from both distinct phases. Finally, we consider a range of static spin susceptibilities that each probe the underlying QPT in response to coupling to a magnetic field.

Cette thèse présente une étude des propriétés électroniques de systèmes de basse dimension à base de métaux et de semiconducteurs. La première partie de l'étude traite le confinement de l'état de Shockley dans des nanostructures tridimensionnelles d'Ag(111), par des mesures STM/STS à très basse température (5 K). Nous avons d'abord analysé en détail la structure en énergie et la distribution spatiale des modes confinés. Nous avons ensuite mis à profit la nature discrète du spectre en énergie pour étudier le temps de vie des quasiparticules. Un comportement typique de liquide de Fermi est mis en évidence, et nous montrons que le mécanisme de diffusion dominant est associé au couplage électron-phonon. La contribution extrinsèque provenant du confinement partiel de l'onde électronique a également été obtenue. Une loi d'échelle est observée avec la taille des nanostructures, ce qui permet d'extraire un coefficient de réflexion plus important que dans de simples ilôts monoatomiques. La seconde partie de l'étude est consacrée aux couches ultra-minces semiconductrices obtenues par dépôts d'alcalins (K, Rb, Cs) sur la surface Si(111):B-[racine]3. Ce travail résout la controverse concernant la nature de l'état fondamental de ce système, et notamment l'origine de la reconstruction 2[racine]3 obtenue à la saturation du taux de couverture. La compréhension en amont de la structure cristallographique permet d'élucider les propriétés électroniques. Nous montrons qu'une approche à un électron, conduisant à un isolant de bandes, décrit le système de manière convaincante, malgré l'indication de forts effets polaroniques. Ce résultat est le fruit d'une étude approfondie combinant des techniques diverses et complémentaires (LEED, ARPES, XPS, STM/STS et calcul DFT) / This thesis is devoted to the electronic properties of low-dimensional systems based on metal and semiconducting materials. The first part deals with the Shockley state confinement in Ag(111) nanostructures, by means of very-low temperature (5 K) STM/STS measurements. We study the electronic structure and spatial distribution of the confined modes. Then the discrete nature of the electronic spectrum allows one to yield the quasiparticule lifetime. A Fermi-liquid behaviour is evidenced and we show that the dominant decay mechanism is attributed to the electron-phonon coupling. The extrinsic contribution arising from the partial confinement of the electronic wave is obtained as well. A scaling law with the nanostructure width is demonstrated, from which we deduce a higher reflection amplitude than in monoatomic islands. In the second part of the thesis, we study semiconducting ultra-thin films produced by alkali (K, Rb, Cs) deposition on the Si(111):B-[root of]3 surface. This work solves the controversy concerning the ground state of this system, and especially the nature of the 2[root of]3 surface recontruction obtained at saturation coverage. Prior understanding of the crystallographic structure allows to elucidate the electronic properties. We show that a one-electron picture, leading to a band insulator scenario, gives a good description of the system, in spite of strong polaronic effects. This conclusion results from an in-depth, combined study of complementary techniques (LEED, ARPES, XPS, STM/STS and DFT calculations).

Die Arbeit befaßt sich mit der Messung und Analyse der spezifischen Wärme verschiedener stark korrelierter Elektronensysteme bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Zunächst wird der im Rahmen dieser Arbeit verwendete, auf der Meßmethode der thermischen Relaxation beruhende Aufbau des Kalorimeters (Einsatzbereich 0.05K<T<4K und 0<B<12T) ausführlich erläutert. Danach werden die Ergebnisse von Messungen an den drei Schwere-Fermionen-Verbindungen CeCu2Si2, CeNi2Ge2 und YbRh2Si2 dargelegt. Wenngleich alle drei Systeme bei tiefen Temperaturen durch den für Schwere-Fermionen-Systeme charakteristischen, stark erhöhten elektronischen Beitrag zur spezifischen Wärme gekennzeichnet sind zeigen sich deutliche Unterschiede im beobachteten Grundzustandsverhalten. An CeCu2Si2 wird die für T<1K auftretende Konkurrenz zwischen einem supraleitenden und einem magnetischen Grundzustand ausführlich studiert. In YbRh2Si2 zeigt sich bei einer für 4f-Systeme bemerkenswert tiefen Temperatur von ca. 70mK ein Übergang in eine magnetische Phase, während der Grundzustand von CeNi2Ge2 wegen stark ausgeprägter Probenabhängigkeiten immer noch kontrovers diskutiert wird. Des weiteren zeigen alle drei Verbindungen deutliche Abweichungen vom Verhalten einer Fermi-Flüssigkeit. Die Theorie der Fermi-Flüssigkeit hat sich für metallische Verbindungen als sehr erfolgreich auch bei der Beschreibung des Verhaltens eines Systems aus stark wechselwirkenden Ladungsträgern erwiesen. Warum diese Theorie auf die untersuchten Verbindungen nicht anwendbar zu sein scheint, wird im Rahmen moderner Modellvorstellungen wie z. B. der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt diskutiert. Die an Sr2RuO4, dem ersten Kupfer-freien Perowskit Supraleiter, durchgeführten Messungen der spezifischen Wärme dokumentieren das Auftreten von zwei Zusatzbeiträgen für T<Tc, die eine Interpretation der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands von Sr2RuO4 im Hinblick auf die Topologie des Ordnungsparameters deutlich erschweren.

Die Arbeit befaßt sich mit der Messung und Analyse der spezifischen Wärme verschiedener stark korrelierter Elektronensysteme bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Zunächst wird der im Rahmen dieser Arbeit verwendete, auf der Meßmethode der thermischen Relaxation beruhende Aufbau des Kalorimeters (Einsatzbereich 0.05K<T<4K und 0<B<12T) ausführlich erläutert. Danach werden die Ergebnisse von Messungen an den drei Schwere-Fermionen-Verbindungen CeCu2Si2, CeNi2Ge2 und YbRh2Si2 dargelegt. Wenngleich alle drei Systeme bei tiefen Temperaturen durch den für Schwere-Fermionen-Systeme charakteristischen, stark erhöhten elektronischen Beitrag zur spezifischen Wärme gekennzeichnet sind zeigen sich deutliche Unterschiede im beobachteten Grundzustandsverhalten. An CeCu2Si2 wird die für T<1K auftretende Konkurrenz zwischen einem supraleitenden und einem magnetischen Grundzustand ausführlich studiert. In YbRh2Si2 zeigt sich bei einer für 4f-Systeme bemerkenswert tiefen Temperatur von ca. 70mK ein Übergang in eine magnetische Phase, während der Grundzustand von CeNi2Ge2 wegen stark ausgeprägter Probenabhängigkeiten immer noch kontrovers diskutiert wird. Des weiteren zeigen alle drei Verbindungen deutliche Abweichungen vom Verhalten einer Fermi-Flüssigkeit. Die Theorie der Fermi-Flüssigkeit hat sich für metallische Verbindungen als sehr erfolgreich auch bei der Beschreibung des Verhaltens eines Systems aus stark wechselwirkenden Ladungsträgern erwiesen. Warum diese Theorie auf die untersuchten Verbindungen nicht anwendbar zu sein scheint, wird im Rahmen moderner Modellvorstellungen wie z. B. der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt diskutiert. Die an Sr2RuO4, dem ersten Kupfer-freien Perowskit Supraleiter, durchgeführten Messungen der spezifischen Wärme dokumentieren das Auftreten von zwei Zusatzbeiträgen für T<Tc, die eine Interpretation der spezifischen Wärme des supraleitenden Zustands von Sr2RuO4 im Hinblick auf die Topologie des Ordnungsparameters deutlich erschweren.