Abstract After the discovery of topological insulators (TIs), it has come to be widely recognized that topological states of matter can actually be widespread. In this sense, TIs have established a new paradigm about topological materials. Recent years have seen a surge of interest in topological semimetals, which embody two different ways of generalizing the effectively massless electrons to bulk materials. Dirac and, particularly, Weyl semimetals should support several transport and optical phenomena that are still being sought in experiments. A number of promising experimental results indicate superconductivity in members of half-Hesuler semimetals which realize the mixing singlet and triplet pairing symmetry. We now turn to results we got through the work on topological semimetals. This work presents quantum high field transports on Dirac and Weyl topological semimetals including Sr1-yMn1-zSb2 (y, z < 0.1), YbMnBi2 and TaP. In case of Sr1-yMn1-zSb2 (y, z < 0.1), massless relativistic fermion was reported with m* = 0.04-0.05m0. This material presented a ferromagnetic order for in 304 K < T < 565 K, but a canted antiferromagnetic order with a net ferromagnetic component for T < 304 K. These are considered striking features of Dirac fermions For YbMnBi2, we reported the unusual interlayer quantum transport behavior in magnetoresistivity, resulting from the zeroth LL mode observed in this time reversal symmetry breaking type II Weyl semimetal. Also, for Weyl semimetal TaP the measurements probed multiple Fermi pockets, from which nontrivial π Berry phase and Zeeman splitting were extracted. Our ultra-low penetration depth measurements on half-Heuslers YPdBi and TbPdBi revealed a power- law behavior with n= 2.76 ± 0.04 for YPdBi samples and n=2.6 ± 0.3 for TbPdBi sample. We may conclude the exponent n > 2 implies nodless superconducting gap in our samples. Also, we found that despite the increase in magnetic correlations from YPdBi to TbPdBi, superconductivity remains robust in both systems which indicates that AF fluctuations do not play a major role in superconducting mechanism.

<p>For the first time in the history of physics we stand in front of a theory that might actually serve as a unification of it all - string theory. It provides a self-consistent framework for gravity and quantum mechanics, which naturally incorporates matter and gauge interactions of the type seen in the standard model. Unfortunately, at the moment we do not know of any principle that selects the vacuum of the theory, so predictions about our four-dimensional world are still absent. However, the introduction of extended objects opens up an intricate new arena of physics, which is non-trivial and challenging to map out, even at a basic level.</p><p>A key concept of quantum gravity is holography; this is realised in string theory by the AdS/CFT correspondence, which relates string theory to a field theory living in a lower dimensional space. In this thesis we discuss two limits of the correspondence, namely the BMN limit, giving rise to a plane wave geometry, and the tensionless limit, exhibiting massless higher spin interactions. We also study a limit of string theory in a background electric field, where the theory is described by open strings and positively wound closed strings only.</p><p>We begin with a brief review of the theory, focusing on an intuitive understanding of the basic aspects and serving as an introduction to the papers. In the first paper we calculate, from two different points of view, scattering amplitudes in the non-commutative open string limit. In the second paper we obtain the quadratic scalar field contributions to the stress-energy tensor in the minimal bosonic higher spin gauge theory in four dimensions. In the last paper we propose a way to avoid fermion doubling when discretizing the string in the BMN limit.</p>

<p>One of the still big problems in the Standard Model of particle physics is the problem of confinement. Quarks or other coloured particles have never been observed in isolation. Quarks are only observed in colour neutral bound states. The strong interactions are described using a Yang-Mills theory. These type of theories exhibits asymptotic freedom, i.e. the coupling is weak at high energies. This means that the theory is perturbative at high energies only. Understanding quark confinement requires knowledge of the non perturbative regime. One attempt has been to identify the proper order parameters for describing the low energy limit and then to write down effective actions in terms of these order parameters. We discuss one possible scenario for confinement and the effective models constructed with this as inspiration. Further we discuss solitons in these models and their properties.</p><p>Yang-Mills theory has also become important in the context of string theory. According to the AdS/CFT correspondence string theory in AdS₅×S⁵ is dual to four dimensional Yang-Mills with four supersymmetries. The duality relate the non perturbative regime of one of the theories to the perturbative regime of the other. This makes it in general hard to test this conjecture. For a special type of solutions it is however possible to use a perturbative expansion in both theories. We discuss this type of solutions and in particular we discuss a method, the Bethe ansatz, to find the solutions on the gauge theory side.</p>

For the first time in the history of physics we stand in front of a theory that might actually serve as a unification of it all - string theory. It provides a self-consistent framework for gravity and quantum mechanics, which naturally incorporates matter and gauge interactions of the type seen in the standard model. Unfortunately, at the moment we do not know of any principle that selects the vacuum of the theory, so predictions about our four-dimensional world are still absent. However, the introduction of extended objects opens up an intricate new arena of physics, which is non-trivial and challenging to map out, even at a basic level. A key concept of quantum gravity is holography; this is realised in string theory by the AdS/CFT correspondence, which relates string theory to a field theory living in a lower dimensional space. In this thesis we discuss two limits of the correspondence, namely the BMN limit, giving rise to a plane wave geometry, and the tensionless limit, exhibiting massless higher spin interactions. We also study a limit of string theory in a background electric field, where the theory is described by open strings and positively wound closed strings only. We begin with a brief review of the theory, focusing on an intuitive understanding of the basic aspects and serving as an introduction to the papers. In the first paper we calculate, from two different points of view, scattering amplitudes in the non-commutative open string limit. In the second paper we obtain the quadratic scalar field contributions to the stress-energy tensor in the minimal bosonic higher spin gauge theory in four dimensions. In the last paper we propose a way to avoid fermion doubling when discretizing the string in the BMN limit.

One of the still big problems in the Standard Model of particle physics is the problem of confinement. Quarks or other coloured particles have never been observed in isolation. Quarks are only observed in colour neutral bound states. The strong interactions are described using a Yang-Mills theory. These type of theories exhibits asymptotic freedom, i.e. the coupling is weak at high energies. This means that the theory is perturbative at high energies only. Understanding quark confinement requires knowledge of the non perturbative regime. One attempt has been to identify the proper order parameters for describing the low energy limit and then to write down effective actions in terms of these order parameters. We discuss one possible scenario for confinement and the effective models constructed with this as inspiration. Further we discuss solitons in these models and their properties. Yang-Mills theory has also become important in the context of string theory. According to the AdS/CFT correspondence string theory in AdS5×S5 is dual to four dimensional Yang-Mills with four supersymmetries. The duality relate the non perturbative regime of one of the theories to the perturbative regime of the other. This makes it in general hard to test this conjecture. For a special type of solutions it is however possible to use a perturbative expansion in both theories. We discuss this type of solutions and in particular we discuss a method, the Bethe ansatz, to find the solutions on the gauge theory side.

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.

In this thesis, an extended periodic Anderson model with an additional local Coulomb repulsion U f c between localized f electrons and conduction electrons is investigated by use of the projector-based renormalization method (PRM). First, it is shown that the model in one dimension shows a valence transition, which becomes sharper, when the energy of the f level approaches the Fermi level. The transition becomes also enhanced, when the hybridization V between the localized and conduction electrons decreases, for the case that the total number of electrons is fixed. In the two-dimensional case, one finds a similar valence transition behavior. However, in the valence transition regime also a superconducting phase may occur. To investigate this phase, we start from an Hamiltonian which includes small gauge symmetry breaking fields. We derive renormalization equations, from which the superconducting pairing functions are self-consistently determined. Our analytical and numerical results show that d- wave superconductivity becomes dominant in the valence transition regime. This confirms the suggestion by Miyake that valence fluctuations may lead to superconductivity in the Ce based heavy-fermion systems under high pressure. / In dieser Arbeit wird mit Hilfe der projektiven Renormierungsmethode (PRM) ein erweitertes periodische Anderson Modell untersucht, das zusätzlich eine Coulomb-Abstoßung zwischen den lokalisierten f-Elektronen und den Leitungselektronen enthält. In einer Dimension zeigt das Modell einen Valenzübergang, wenn sich die Energie des f-Niveaus der Fermienergie nähert. Der Übergang wird ebenfalls schärfer, wenn bei festgehaltener Gesamtelektronenzahl die Hybridisierung V zwischen den lokalisierten und den Leitungselekronen abnimmt. In zwei Dimensionen findet man ein ähnliches Valenzübergangsverhalten. Allerdings kann zusätzlich eine supraleitende Phase im Valenzübergangsgebiet auftreten. Um die supraleitende Phase zu untersuchen, betrachten wir einen Hamiltonoperator mit kleinen zusätzlichen Feldern, die die Eichsymmetrie brechen. Wir leiten Renormierungsgleichungen her, aus denen sich die supraleitenden Paarfunktionen selbstkonsistent bestimmen lassen. Unsere analytischen und numerischen Resultate zeigen, dass im Valenzübergangsgebiet d-Wellen-Supraleitung dominiert. Dies bestätigt eine Vermutung von Miyake, dass Valenzfluktuationen in Ce-basierten Schwerfermionensystemen bei hohen Drücken zur Supraleitung führen können.

In dieser Arbeit werden quantenkritische Phänomene der ferromagnetisch stark korrelierten Schwere-Fermionen-Systeme YbRh2Si2, YbNi4P2 und CeFePO untersucht. Hierzu sind Messungen des elektrischen Widerstands und der AC-Suszeptibilität durchgeführt worden. Das System YbRh2Si2 besitzt einen antiferromagnetischen Phasenübergang bei TN = 0.07 K. Die Verletzung des Wiedemann-Franz-Gesetzes an seinem Magnetfeld-induzierten quantenkritischen Punkt kann indirekt durch neue Widerstandsmessungen bestätigt werden. Mit den Substitutionen Yb(Rh1-xCox)2Si2, Yb(Rh1-yIry)2Si2 und Yb1-zLazRh2Si2 kann die Übergangstemperatur erhöht oder erniedrigt werden. Dadurch lässt sich sowohl ein weiterer quantenkritischer Punkt erreichen als auch das Verhältnis zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Korrelationen einstellen. Das durch chemische Substitution erzeugte magnetische Phasendiagramm wird detailliert untersucht. Es wird gezeigt, dass die zunehmenden ferromagnetischen Fluktuationen mit steigender Cobalt-Konzentration zu einem ferromagnetischen Phasenübergang bei x = 0.27 führen. Die magnetischen Momente ordnen entlang der magnetisch harten c-Richtung. Das neue Schwere-Fermionen-System YbNi4P2 besitzt einen, im Rahmen dieser Arbeit entdeckten, ferromagnetischen Phasenübergang bei der erstaunlich niedrigen Curie-Temperatur TC = 0.17 K. Es werden weiterführende Messungen an Einkristallen durchgeführt, die zeigen, dass die Momente senkrecht zur magnetisch weichen c-Richtung ordnen. Erste Hinweise auf einen Magnetfeld-induzierten ferromagnetischen quantenkritischen Punkt werden gefunden. Das Schwere-Fermionen-System CeFePO befindet sich in der Nähe einer ferromagnetischen Instabilität, die durch Arsen-Substitution auf dem Phosphor-Platz erreicht werden kann. Bisher ging man davon aus, dass CeFePO selbst paramagnetisch ist. In dieser Arbeit wird eine Anomalie bei T ~ 0.7 K in kürzlich hergestellten Proben als kurzreichweitige Ordnung identifiziert. Es kann gezeigt werden, dass es sich damit um eine neuartige Art und Weise handelt, wie ein ferromagnetischer quantenkritischer Punkt umgangen wird.

Die Legierungsserie CeFeAs1−xPxO bietet die Möglichkeit, eine außergewöhnliche Vielfalt unterschiedlicher Grundzustände mit starken Korrelationen der 3d- und der 4f-Elektronen zu untersuchen. CeFePO ist an der Grenze zwischen einem paramagnetischen und einem ferromagnetischen Ce-Zustand und zeigt starke 4f-Korrelationen, die zu Schwere-Fermionen-Verhalten führen, während Fe unmagnetisch ist. Im Gegensatz dazu sind die Eigenschaften von CeFeAsO durch die 3d-Korrelationen des Fe dominiert, die zu antiferromagnetischer Ordnung unterhalb von T_N(Fe) = 145K führen, während sich Ce in einem stabilen dreiwertigen Zustand befindet und unterhalb von T_N(Ce) = 3.7K ebenfalls antiferromagnetisch ordnet. Man erwartet deshalb mindestens zwei kritische Punkte, an denen die magnetische Ordnung unterdrückt wird. Hier sollte insbesondere geklärt werden, ob bei diesen kritischen Konzentrationen Quantenphasenübergänge auftreten, bei denen die Ordnungstemperatur zu T = 0K verschoben ist und in denen die Ursache von Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten und unkonventioneller Supraleitung gesehen wird. Grundlage für die Untersuchungen war zunächst die Züchtung qualitativ hochwertiger Einkristalle hinreichender Größe, was im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gelungen ist. Hierzu wurde eine Sn-Flux Methode optimiert, mit der plättchenförmige Einkristalle mit Abmessungen von typischerweise 1mm x 1mm x 0.1mm und Massen bis 0.6mg erhalten werden konnten. Zur Bestimmung struktureller Parameter kamen Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie und chemische Analyse zum Einsatz. Physikalische Eigenschaften wurden vor allem durch Messungen der Spezifischen Wärmekapazität, der Magnetisierung und des elektrischen Widerstandes im Temperaturbereich T = 0.35 − 300K untersucht. Die antiferromagnetische Ordnung von Fe in CeFeAsO ist mit einer orthorhombischen Verzerrung verbunden, die bei einer etwas höheren Temperatur von T_0 = 151K stattfindet. Diese Phasenübergänge sind von besonderem Interesse, da ihre Unterdrückung zur Ausbildung von Hochtemperatur-Supraleitung in den Eisenpniktiden führt, ihr Wechselspiel aber nicht vollständig verstanden ist. Sie unterteilen die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ρ(T) von CeFeAsO in zwei Bereiche. In der paramagnetischen tetragonalen Phase nimmt ρ(T) beim Abkühlen von Raumtemperatur aus bislang ungeklärter Ursache zunächst leicht zu. Erst mit Einsetzen der orthorhombischen Verzerrung bei T_0 kehrt sich die Temperaturabhängigkeit um und ρ(T) nimmt mit sinkender Temperatur ab, wobei die Abnahme bei T_N(Fe) nochmals stärker wird und bis zu tiefsten Temperaturen metallisches Verhalten beobachtet wird. Dass sich CeFeAsO somit nicht unmittelbar an der Grenze zu einem Mott-Isolator befindet, wie es in Anlehnung an die Kuprat-Supraleiter zunächst vermutet wurde, und Restwiderstandsverhältnisse von RRR > 10 überhaupt möglich sind, konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden. Durch sorgfältige Untersuchung des Temperaturunter- schiedes zwischen T_N(Fe) und T_0 und dem Vergleich mit dotierten und undotierten AFe2As2-Verbindungen konnte ein vereinheitlichtes Bild der Ausgangsverbindungen aller Fe-basierten Supraleiter geschaffen werden. In diesem tritt im Temperaturbereich T_N(Fe) < T < T_0 eine elektronische nematische Phase hervor, deren Existenzbereich durch die magnetische Kopplung entlang der kristallographischen c-Achse und deren Defektabhängigkeit bestimmt ist. Wie alle Substitutionen in RFeAsO-Verbindungen führt die Ersetzung von As durch P auch in CeFeAs1−xPxO zu einer Verringerung von T_N(Fe). Ein quantenkritischer Punkt mit T_N(Fe) --> 0K ist jedoch unwahrscheinlich, da ab einer kritischen Konzentration von x = 0.30 die Signatur der Eisen-Ordnung in ρ(T) zwar merklich schwächer wird, T_N(Fe) ≈ 40K bei weiterer Erhöhung von x aber nicht mehr zu tieferen Temperaturen schiebt. In Proben mit der kritischen Konzentration von x = 0.30 - und nur in diesem Konzentrationsbereich - konnte reproduzierbar ein verschwindender elektrischer Widerstand und damit ein Hinweis auf Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von T_SL= 4K gefunden werden. Im Gegensatz zur ’Dom-förmigen’ Abhängigkeit der Sprungtemperatur von der Konzentration eines Fremdatoms in den Phasendiagrammen anderer Fe-basierter Supraleiter nimmt jedoch T_SL in CeFeAs1−xPxO bei weiterer Erhöhung von x nicht zu. Stattdessen wird bei x > 0.30 ein ferromagnetisch geordneter Grundzustand (des Ce) stabilisiert, der mit Supraleitung konkurriert. Die antiferromagnetische Ordnung von Cer in undotiertem CeFeAsO weist typische Merkmale magnetischer Ordnung lokaler Momente auf und impliziert eine Dominanz der RKKY-Wechselwirkung gegenüber einem schwachen Kondo-Effekt. Die Ersetzung von As durch P wirkt als chemischer Druck und stabilisiert somit den unmagnetischen Valenzzustand Ce4+. Trotzdem ist die Ce-Ordnung bei kleinen P-Konzentrationen - im Gegensatz zur Fe- Ordnung - nahezu unverändert vom Verhalten in undotiertem CeFeAsO. Bei der kritischen Konzentration von x = 0.30 tritt überraschend ein plötzlicher Übergang von antiferromagnetischer zu ferromagnetischer Ordnung mit einer Curie-Temperatur von T_C(Ce) = 4K auf, der offensichtlich mit der Unterdrückung der Fe-Ordnung korreliert ist und nicht nur aus einem reinen Volumeneffekt resultiert. Als mögliche Ursache wird eine Umstrukturierung der Fermi-Fläche bei Unterdrückung der Fe-Ordnung betrachtet, die zu einem Vorzeichenwechsel der Austauschkopplung J_ij bei RKKY-Wechselwirkung führt. Bei hohen Phosphor-Konzentrationen sinkt T_C(Ce) und geht bei x = 0.90 von ferromagnetischer zur antiferromagnetischer Ordnung über, wie es bei Annäherung an einen quantenkritischen Punkt bereits in einer Vielzahl ferromagnetischer Systeme beobachtet wurde. In stöchiometrischem CeFePO wurde magnetisch kurzreichweitige Ordnung und Spin-Glas-Verhalten mit einer charakteristischen Temperatur von T_SG= 0.75K gefunden. Der Unterschied zur früher gemachten Beobachtung eines paramagnetischen Grundzustandes resultiert einzig aus Variationen bei der Synthese und ist in strukturellen Parametern nicht nachweisbar - eine für Schwere- Fermionen-Systeme typische Sensitivität! Der zweite kritische Punkt, an dem die Ce-Ordnung verschwinden sollte, liegt also nicht wie zu Beginn erwartet bei hohen P-Konzentrationen, sondern in stöchiometrischem CeFePO. Eine Wärmebehandlung von CeFePO bei T ∼ 800◦C kann zur gezielten Manipulation des Grundzustandes genutzt werden und hat zur Ausbildung von logarithmischer Divergenz der spezifischen Wärmekapazität C/T und damit einem ersten direkten Hinweis auf Quantenkritikalität geführt.

In der vorliegenden Arbeit wurde der elektrische Transport im Schwere-Fermionen-System YbRh2Si2 sowohl in seiner stöchiometrischen Form als auch mit teilweiser isoelektronischer Substitution von Ir oder Co auf dem Rh-Platz untersucht. In YbRh2Si2 liegt ein quantenkritischer Punkt vor, der zugänglich ist, indem der antiferromagnetische Phasenübergang mittels eines kleinen Magnetfelds zum absoluten Nullpunkt der Temperatur unterdrückt wird. Die zentralen Messungen des Hallkoeffizienten zeigen einen Übergang der in der Extrapolation zu T=0 zu einer Diskontinuität wird und somit auf eine Rekonstruktion der Fermifläche am quantenkritischen Punkt schließen lässt. Dies belegt die unkonventionelle Natur der Quantenkritikalität in YbRh2Si2. Unterstützt wird dies auf fundamentale Weise durch verknüpfungen mit unkonventionellem Skalierungsverhalten. In den Proben mit teilweiser Substitution wird der Einfluss einer Veränderung der Gitterparameter auf die Quantenkritikalität mit Hilfe von Widerstandsmessungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass der magnetische Übergang von der Fermiflächenrekonstruktion separiert wird. Für Proben mit teilweiser Ir-Substitution, welche negativen Drücken entspricht, scheint im Zwischenbereich eine neuartige metallische Spinflüssigkeit hervorzutreten. / This work investigates the electrical transport of the heavy-fermion compound YbRh2Si2 in its stoichiometric form as well as with slight isoelectronic substitution of Ir or Co on the Rh site. A quantum critical point is present in YbRh2Si2 which is accessed by tuning the transition temperature of the antiferromagnetic order to absolute zero via the application of a small magnetic field. The central measurements of the Hall coefficient reveal a crossover which sharpens to a discontinuity in the extrapolation to zero temperature implying a reconstruction of the Fermi surface at the quantum critical point. This allows to rule out conventional descriptions of the quantum criticality in YbRh2Si2. A scaling analysis corroborates this on a fundamental basis. In the samples with partial substitution the effect of unit cell volume change on the quantum criticality was investigated by means of resistivity measurements. Surprisingly, the magnetic transition is separated from the Fermi surface reconstruction. For samples with Ir substitution corresponding to negative chemical pressure, a new metallic spin liquid seems to emerge in the intermediate regime.