In dieser Arbeit wurden Ergebnisse einer Analyse der elektronischen Struktur in Sr2CuO2Cl2 mittels winkelaufgelöster Photoemission dargelegt. Sie betreffen i) Sr2CuO2Cl2 als Untersuchungsgegenstand für die Grundlagenforschung an Hochtemperatursupraleitern (HTSL), ii) winkelaufgelöste Photoemission als Untersuchungsmethode zur Messung der elektronischen Struktur von HTSL und deren Muttersubstanzen, iii) Eigenschaften der elektronische Anregungen in Sr2CuO2Cl2 in unmittelbarer Nähe des chemischen Potenzials, sowie iv) das durch Korrelationen stark beeinflusste Dotierungsverhalten der Kuprate. 1. Sr2CuO2Cl2 eignet sich Dank seiner exakten Stöchiometrie und der strukturell perfekten Kupfer-Sauerstoff Ebenen hervorragend als Untersuchungssubstanz für die isolierende Phase der HTSL. 2. Mittels winkelaufgelöster Photoemission ist es möglich, die k-Raum- und Energieverteilung (Dispersion) von Anregungen nahe des chemischen Potenzials in Sr2CuO2Cl2 auszumessen. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit der Intensität des Photoemissionssignales in Abhängigkeit von der Photonenenergie beobachtet. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich diese Intensitätsoszillationen mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Bragg-Interferenz der Photoelektronenewelle an der Schichtstruktur von Sr2CuO2Cl2 erklären und weiterhin, dass die gemessenen Dispersionskurven, von einer willkürlichen Normierung der Intensität abgesehen, unabhängig von der verwendeten Photoenenenergie sind. 3. Die Photoemissionsspektren von Sr2CuO2Cl2 zeigen die für Ladungstransfer-Isolatoren charakteristische Aufteilung des spektralen Gewichts (der besetzten Elektronenstruktur) in ein unteres Hubbardband, bindende und nichtbindende Sauerstoffbänder und der ZR-Singlet Struktur. Dabei konnte das untere Hubbardband identifiziert werden durch seine durch Resonanz hervorgerufene Intensitätsverstärkung (und dem daraus resultierenden d8-Charakter dieser Struktur), die Sauerstoffbänder und die ZR-Singlet Struktur durch eine Analyse ihres Symmetrieverhaltens unter Berücksichtigung der Polarisationsabhängigkeit des Photoemissionssignales. Das ZR-Singlet besitzt eine a1g-Symmetrie was sowohl die Konstruktion des ZR-Singlets nach Zhang und Rice als auch die Ergebnisse der Diagonalisierung der isolierten, mit zwei Löchern besetzten Plakette bestätigt. 4. Die Dispersion des ZR-Singlets ist parabolisch entlang Gamma-(Pi,Pi) mit einem absoluten Bindungsenergieminimum bei (0.5Pi,0.5Pi) und parabolisch entlang Gamma-(Pi,0) mit einem lokalen Bindungsenergieminimum bei (0.7Pi,0). Die Bandbreite entlang dieser beiden Richtungen beträgt etwa 300 meV beziehungsweise 200 meV, der Abstand der beiden minimalen Bindungsenergien entlang dieser Richtungen ist 72 meV. Das Spektralgewicht des ZR-Singlets ist keilförmig verteilt mit einem Maximum bei (0.5Pi,0.5Pi) und (0.7Pi,0), also jeweils in unmittelbarer Nähe der minimalen Bindungsenergien dieser Struktur. Es verschwindet bei Gamma und (Pi,Pi), hat jedoch einen endlichen Wert bei (Pi,0). Der Vergleich dieser Resultate favorisiert das erweiterte t-J-Modell zur Beschreibung der Dynamik des ZR-Singlets. Insbesondere i) die parabolische Dispersion des ZR-Singlets entlang Gamma-(Pi,Pi), ii) der geringe aber endliche energetische Abstand der Bindungsenergie-Minima entlang Gamma-(Pi,Pi) und Gamma-(Pi,0) und iii) die keilförmige Verteilung des Spektralen Gewichts entlang Gamma-(Pi,0) sind die experimentellen Indizien dafür. / A detailed ARPES study of the low binding-energy occupied electronic structure of Sr2CuO2Cl2 has been done. It corresponds to an investigation of the first electron-removal states of an undoped CuO2-plane: 1. The photoemission signal of the first electron-removal states at both (0.5Pi,0.5Pi) and (0.7Pi,0) exhibits a marked photon-energy dependence. The intensity profile shows strong oscillations with maxima near 16, 25, 35 and 49 eV, corresponding to final state crystal momenta kperp=0.82, 1.63, 2.40 and 3.12 A-1. 2. Along the high-symmetry directions Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0) the first electron-removal states shows a strong polarization dependence. This can be linked to the strongly polarization-dependent matrix element, which in turn allows the determination of the symmetry of the first electron-removal state itself. For both high-symmetry directions we observe a polarization dependence in keeping with that expected for a Zhang-Rice singlet state in the framework of either a three-band or one-band model Hamiltonian. 3. Our data show that the dispersion of the first electron-removal states along both high symmetry directions (Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0)) is parabolic-like and independent of the excitation energy. This, and the rather large difference in lowest binding energy of the first electron-removal state along these directions, shows the validity of the extended t-J model for describing the disperion relation of a single hole in an antiferromagnetic CuO2 plane. Thus, the inclusion of second (t2) and third (t3) neighbor hopping terms with realistic values of t2=-0.08 and t3=0.15 in units of the next neighbor hopping t=t1 are required. 4. Upon application of a simple fit procedure, we infer the momentum distribution of the spectral weight of the coherent and incoherent part of the first electron-removal state to have its maximum along Gamma-(Pi,Pi) at (0.5Pi,0.5Pi), being symmetrically suppressed away from this point. Along Gamma-(Pi,0) the spectral weights of both parts reach their maximum at (0.7Pi,0) and then drop fast. The ratio between the coherent and incoherent spectral weight is strongly photon-energy dependent, which, at first sight would appear to violate the physics of the spectral function: (i) the necessity for a more sophisticated framework in which to analyse the weight of the coherent and incoherent contributions to the spectral weight (ii) significant (hn-dependent) intensity due to extrinsic processes (iii) intensity in this energy region due to intrinsic electronic states other than the Zhang-Rice singlet.

Das Forschungsgebiet der Kuprat- oder Hochtemperatursupraleiter (HTSL) ist bis heute einer der lebendigsten Bereiche der Physik kondensierter Materie. Ein besonderer Stellenwert kommt dem normalleitenden Zustand oberhalb TC zu, dessen Verständnis wesentlich zu einer Theorie der Hochtemperatur-Supraleitung beitragen könnte. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Elektronenstruktur von HTSLn der Bi2Sr2CaCu2O8+[delta](Bi2212)-Familie nahe der Fermifläche im normalleitenden Zustand. Die Experimente wurden mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES) durchgeführt, wobei die hohe Auflösung in Energie und Impuls recht genaue Rückschlüsse auf die Spektralfunktion und die Übergangs-Matrixelemente erlaubt. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse sind: 1) Hochaufgelöste ARPES-Fermiflächenkarten von Bi2212 und (Pb,Bi)2212 zeigen folgendes Bild: Die Hauptfermifläche ist lochartig und um die Ecken der Brillouinzone zentriert. Weiterer Bestandteil der Elektronenstruktur ist die Schattenfermifläche. Bei reinem Bi2212 treten außerdem extrinsische Beugungskopien der Fermifläche auf. 2) ARPES-Messungen entlang der -M-Richtung von Bi2212 zeigen eine starke Abhängigkeit von der Anregungsenergie, die auf starken Matrixelement-Effekten beruht. Verschiedene Methoden zur Bestimmung von kF zeigen, dass die Daten konsistent mit einer lochartigen Topologie der Hauptfermifläche sind. Des Weiteren wird die Qualität verschiedener Methoden zur Bestimmung von kF bei starken Matrixelement-Effekten bewertet. 3) Die Hauptfermifläche von (Pb,Bi)2212 behält ihre lochartige Topologie über einen großen Dotierungsbereich nahe optimaler Dotierung. 4) Erste hochaufgelöste ARPES-Messungen des Zirkulardichroismus wurden an (Pb,Bi)2212 durchgeführt. In der verwendeten nicht-chiralen Messanordnung wird ein CDAD (Circular Dichroism in the Angular Distribution of Photoelectrons)-Effekt beobachtet, dessen Asymmetrie antisymmetrisch bezüglich der Zweischicht-aufgespaltenen Zustände ist.

In dieser Arbeit wurden Ergebnisse einer Analyse der elektronischen Struktur in Sr2CuO2Cl2 mittels winkelaufgelöster Photoemission dargelegt. Sie betreffen i) Sr2CuO2Cl2 als Untersuchungsgegenstand für die Grundlagenforschung an Hochtemperatursupraleitern (HTSL), ii) winkelaufgelöste Photoemission als Untersuchungsmethode zur Messung der elektronischen Struktur von HTSL und deren Muttersubstanzen, iii) Eigenschaften der elektronische Anregungen in Sr2CuO2Cl2 in unmittelbarer Nähe des chemischen Potenzials, sowie iv) das durch Korrelationen stark beeinflusste Dotierungsverhalten der Kuprate. 1. Sr2CuO2Cl2 eignet sich Dank seiner exakten Stöchiometrie und der strukturell perfekten Kupfer-Sauerstoff Ebenen hervorragend als Untersuchungssubstanz für die isolierende Phase der HTSL. 2. Mittels winkelaufgelöster Photoemission ist es möglich, die k-Raum- und Energieverteilung (Dispersion) von Anregungen nahe des chemischen Potenzials in Sr2CuO2Cl2 auszumessen. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit der Intensität des Photoemissionssignales in Abhängigkeit von der Photonenenergie beobachtet. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich diese Intensitätsoszillationen mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Bragg-Interferenz der Photoelektronenewelle an der Schichtstruktur von Sr2CuO2Cl2 erklären und weiterhin, dass die gemessenen Dispersionskurven, von einer willkürlichen Normierung der Intensität abgesehen, unabhängig von der verwendeten Photoenenenergie sind. 3. Die Photoemissionsspektren von Sr2CuO2Cl2 zeigen die für Ladungstransfer-Isolatoren charakteristische Aufteilung des spektralen Gewichts (der besetzten Elektronenstruktur) in ein unteres Hubbardband, bindende und nichtbindende Sauerstoffbänder und der ZR-Singlet Struktur. Dabei konnte das untere Hubbardband identifiziert werden durch seine durch Resonanz hervorgerufene Intensitätsverstärkung (und dem daraus resultierenden d8-Charakter dieser Struktur), die Sauerstoffbänder und die ZR-Singlet Struktur durch eine Analyse ihres Symmetrieverhaltens unter Berücksichtigung der Polarisationsabhängigkeit des Photoemissionssignales. Das ZR-Singlet besitzt eine a1g-Symmetrie was sowohl die Konstruktion des ZR-Singlets nach Zhang und Rice als auch die Ergebnisse der Diagonalisierung der isolierten, mit zwei Löchern besetzten Plakette bestätigt. 4. Die Dispersion des ZR-Singlets ist parabolisch entlang Gamma-(Pi,Pi) mit einem absoluten Bindungsenergieminimum bei (0.5Pi,0.5Pi) und parabolisch entlang Gamma-(Pi,0) mit einem lokalen Bindungsenergieminimum bei (0.7Pi,0). Die Bandbreite entlang dieser beiden Richtungen beträgt etwa 300 meV beziehungsweise 200 meV, der Abstand der beiden minimalen Bindungsenergien entlang dieser Richtungen ist 72 meV. Das Spektralgewicht des ZR-Singlets ist keilförmig verteilt mit einem Maximum bei (0.5Pi,0.5Pi) und (0.7Pi,0), also jeweils in unmittelbarer Nähe der minimalen Bindungsenergien dieser Struktur. Es verschwindet bei Gamma und (Pi,Pi), hat jedoch einen endlichen Wert bei (Pi,0). Der Vergleich dieser Resultate favorisiert das erweiterte t-J-Modell zur Beschreibung der Dynamik des ZR-Singlets. Insbesondere i) die parabolische Dispersion des ZR-Singlets entlang Gamma-(Pi,Pi), ii) der geringe aber endliche energetische Abstand der Bindungsenergie-Minima entlang Gamma-(Pi,Pi) und Gamma-(Pi,0) und iii) die keilförmige Verteilung des Spektralen Gewichts entlang Gamma-(Pi,0) sind die experimentellen Indizien dafür. / A detailed ARPES study of the low binding-energy occupied electronic structure of Sr2CuO2Cl2 has been done. It corresponds to an investigation of the first electron-removal states of an undoped CuO2-plane: 1. The photoemission signal of the first electron-removal states at both (0.5Pi,0.5Pi) and (0.7Pi,0) exhibits a marked photon-energy dependence. The intensity profile shows strong oscillations with maxima near 16, 25, 35 and 49 eV, corresponding to final state crystal momenta kperp=0.82, 1.63, 2.40 and 3.12 A-1. 2. Along the high-symmetry directions Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0) the first electron-removal states shows a strong polarization dependence. This can be linked to the strongly polarization-dependent matrix element, which in turn allows the determination of the symmetry of the first electron-removal state itself. For both high-symmetry directions we observe a polarization dependence in keeping with that expected for a Zhang-Rice singlet state in the framework of either a three-band or one-band model Hamiltonian. 3. Our data show that the dispersion of the first electron-removal states along both high symmetry directions (Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0)) is parabolic-like and independent of the excitation energy. This, and the rather large difference in lowest binding energy of the first electron-removal state along these directions, shows the validity of the extended t-J model for describing the disperion relation of a single hole in an antiferromagnetic CuO2 plane. Thus, the inclusion of second (t2) and third (t3) neighbor hopping terms with realistic values of t2=-0.08 and t3=0.15 in units of the next neighbor hopping t=t1 are required. 4. Upon application of a simple fit procedure, we infer the momentum distribution of the spectral weight of the coherent and incoherent part of the first electron-removal state to have its maximum along Gamma-(Pi,Pi) at (0.5Pi,0.5Pi), being symmetrically suppressed away from this point. Along Gamma-(Pi,0) the spectral weights of both parts reach their maximum at (0.7Pi,0) and then drop fast. The ratio between the coherent and incoherent spectral weight is strongly photon-energy dependent, which, at first sight would appear to violate the physics of the spectral function: (i) the necessity for a more sophisticated framework in which to analyse the weight of the coherent and incoherent contributions to the spectral weight (ii) significant (hn-dependent) intensity due to extrinsic processes (iii) intensity in this energy region due to intrinsic electronic states other than the Zhang-Rice singlet.

Das Forschungsgebiet der Kuprat- oder Hochtemperatursupraleiter (HTSL) ist bis heute einer der lebendigsten Bereiche der Physik kondensierter Materie. Ein besonderer Stellenwert kommt dem normalleitenden Zustand oberhalb TC zu, dessen Verständnis wesentlich zu einer Theorie der Hochtemperatur-Supraleitung beitragen könnte. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Elektronenstruktur von HTSLn der Bi2Sr2CaCu2O8+[delta](Bi2212)-Familie nahe der Fermifläche im normalleitenden Zustand. Die Experimente wurden mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES) durchgeführt, wobei die hohe Auflösung in Energie und Impuls recht genaue Rückschlüsse auf die Spektralfunktion und die Übergangs-Matrixelemente erlaubt. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse sind: 1) Hochaufgelöste ARPES-Fermiflächenkarten von Bi2212 und (Pb,Bi)2212 zeigen folgendes Bild: Die Hauptfermifläche ist lochartig und um die Ecken der Brillouinzone zentriert. Weiterer Bestandteil der Elektronenstruktur ist die Schattenfermifläche. Bei reinem Bi2212 treten außerdem extrinsische Beugungskopien der Fermifläche auf. 2) ARPES-Messungen entlang der -M-Richtung von Bi2212 zeigen eine starke Abhängigkeit von der Anregungsenergie, die auf starken Matrixelement-Effekten beruht. Verschiedene Methoden zur Bestimmung von kF zeigen, dass die Daten konsistent mit einer lochartigen Topologie der Hauptfermifläche sind. Des Weiteren wird die Qualität verschiedener Methoden zur Bestimmung von kF bei starken Matrixelement-Effekten bewertet. 3) Die Hauptfermifläche von (Pb,Bi)2212 behält ihre lochartige Topologie über einen großen Dotierungsbereich nahe optimaler Dotierung. 4) Erste hochaufgelöste ARPES-Messungen des Zirkulardichroismus wurden an (Pb,Bi)2212 durchgeführt. In der verwendeten nicht-chiralen Messanordnung wird ein CDAD (Circular Dichroism in the Angular Distribution of Photoelectrons)-Effekt beobachtet, dessen Asymmetrie antisymmetrisch bezüglich der Zweischicht-aufgespaltenen Zustände ist.

The work described in this thesis uses oxygen NMR to probe the electronic system of rare earth co-doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, the prototypical high temperature superconducting cuprate (HTSC). Oxygen NMR turns out to be a powerful tool for this purpose. The nucleus is located directly inside the CuO_2 planes. It has a spin of 5/2 and a quadrupole moment and therefore can probe both, interactions with the magnetic hyperfine field as well as interactions through the electric field gradient of the crystal. Furthermore, the spin lattice relaxation time T_1 and the spin spin relaxation time T_2 contain information about the dynamics of these interactions. Such a link between the spin and charge structures in high temperature superconductors has been elusive until today. Instead, there are magnetic probes such as neutron scattering and muSR that provide evidence for a modulation of the spin structure and static magnetic moments, respectively, and charge probes like STM that reveal inhomogeneous doping distributions in the CuO_2 planes. In either case, inhomogeneities in the spin and charge system seem to be typical for HTSCs. Whereas the spin and charge modulations are believed to be dynamic in the superconducting compounds, they become static at low temperatures in Eu doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, where superconductivity is suppressed. As could be demonstrated here, evidence for such a spin and charge separation, that often revealed stunning similarities to the spin ladder compounds, is apparent in almost all measured NMR parameters. / In dieser Arbeit werden Sauerstoff NMR Untersuchungen der elektronischen Struktur von Selten-Erd dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4, dem prototypischen Hochtemperatursupraleiter (HTSL), vorgestellt. Sauerstoff NMR ist zu diesem Zweck besonders gut geeignet. Der Kern befindet sich innerhalb der Kupferoxid-Ebenen. Er hat einen Spin von 5/2 und ein Quadrupolmoment. Damit lassen sich Wechselwirkungen mit dem magnetischen Hyperfeinfeld der Cu-Atome sowie Wechselwirkungen mit dem elektrischen Feldgradienten des Kristalls untersuchen. Des Weiteren geben die Spin-Gitter-Relaxationszeit T_1 sowie die Spin-Spin-Relaxationszeit T_2 Aufschluss über die Dynamik dieser beiden Wechselwirkungen. Eine Verbindung zwischen der Spin- und Ladungsordnung gibt es in den HTSL bisher nicht. Statt dessen haben magnetische Messmethoden wie Neutronenstreuung oder muSR Aussagen über die magnetische Ordnung geliefert. Unabhängig davon liefern Messmethoden wie STM nur Informationen über eine Ladungsordnung oder inhomogene Ladungsverteilungen. Inhomogenitäten der Spins und Ladungen scheinen aber typisch für die HTSL zu sein. Man vermutet, dass diese Inhomogenitäten dynamisch in den supraleitenden Verbindungen sind, während sie in Eu dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4 bei tiefen Temperaturen statisch werden und die Supraleitung unterdrücken. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich diese Ladungs- und Spininhomogenitäten in vielen Parametern der NMR Spektren bemerkbar machen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau, hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers. Unter einem Kurzschlussstrombegrenzer versteht man einen veränderlichen elektrischen Widerstand, welcher, gegebenenfalls in Serie mit konventionellen, mechanischen Stromunterbrechern, direkt in den zu schützenden Stromkreis eingebaut ist. Als veränderlicher elektrischer Widerstand kann z.B. ein supraleitendes Element verwendet werden. Im normalen Betriebsfall setzt dieser dem fließenden Strom praktisch keinen Widerstand entgegen. Die Dimensionierung wird so gewählt, dass im Falle eines Überstroms ein rascher Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgt. Durch den nun vorhandenen Widerstand wird der Stromfluss sehr effektiv begrenzt, bis beispielsweise nachgeschaltete mechanische Schutzeinrichtungen ansprechen. Sobald dies erfolgt ist, kann der Supraleiter regenerieren und in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Verwendung von HTSL-Material als Supraleiter erscheint hier höchst vorteilhaft, da damit ein Arbeiten auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau erlaubt wird. Ein entscheidender Punkt für die erfolgreiche Einführung der HTSL-FCL ist die Bereitstellung einer geeigneten Kälteversorgung. Dies kann entweder durch regelmäßiges Nachfühlen mit flüssigem Stickstoff oder durch den Einsatz einer Kältemaschine zur Stickstoffrekondensation realisiert werden. Beim Einsatz einer Kältemaschine hat man einen von der Stickstoffnachlieferung unabhängigen Betrieb mit geschlossenem Kühlsystem. Die Energiedissipation in dem HTSL-Element selbst ist unter Normalbedingungen vernachlässigbar klein. Für die Auslegung des Kühlsystems ist von Bedeutung, dass der größte Teil der Wärmelast durch die metallischen Stromzuführungen verursacht wird. Die Auslegung des Kühlsystems muss sich daher an der thermodynamischen Analyse der Stromzuführungen orientieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Analyse von Kühlmethoden für solche Stromzuführungen hinsichtlich ihrer Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Ein neues Kühlsystem auf der Basis einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade wird vorgeschlagen als Alternative zu den derzeit in Frage kommenden Kühltechniken. Es wurde folgende Vorgehensweise gewählt: 1. Verschiedene Kühlmethoden zur Kühlung von SZF werden aufgeführt und thermodynamisch bewertet. 2. Kühlsysteme, basierend auf einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade, werden vorgeschlagen und deren Charakteristika mittels numerischer Simulation bestimmt. 3. Ein auf der Basis einer Gemisch-Kältemaschine gebauter Stickstoffverflüssiger wird in Betrieb genommen und getestet. 4. Die Funktion und die Effektivität der Gemisch-Stickstoff-Kaskade zur Kühlung der Stromzuführungen werden bewertet. 5. Zugehörige Kühlsysteme auf der Basis verschiedener Kühltechniken werden analysiert 6. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Kühlsysteme einander gegenübergestellt Insgesamt kann als Ergebnis festgehalten werden, dass der Einsatz der vorgestellten Gemisch-Stickstoff-Kaskadenanlagen zur Kälteversorgung im vorgestellten Anwendungsfall eine durchaus wettbewerbsfähige, voraussichtlich sogar überlegene Alternative zu den sonst verfügbaren Methoden darstellt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau, hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers. Unter einem Kurzschlussstrombegrenzer versteht man einen veränderlichen elektrischen Widerstand, welcher, gegebenenfalls in Serie mit konventionellen, mechanischen Stromunterbrechern, direkt in den zu schützenden Stromkreis eingebaut ist. Als veränderlicher elektrischer Widerstand kann z.B. ein supraleitendes Element verwendet werden. Im normalen Betriebsfall setzt dieser dem fließenden Strom praktisch keinen Widerstand entgegen. Die Dimensionierung wird so gewählt, dass im Falle eines Überstroms ein rascher Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgt. Durch den nun vorhandenen Widerstand wird der Stromfluss sehr effektiv begrenzt, bis beispielsweise nachgeschaltete mechanische Schutzeinrichtungen ansprechen. Sobald dies erfolgt ist, kann der Supraleiter regenerieren und in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Verwendung von HTSL-Material als Supraleiter erscheint hier höchst vorteilhaft, da damit ein Arbeiten auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau erlaubt wird. Ein entscheidender Punkt für die erfolgreiche Einführung der HTSL-FCL ist die Bereitstellung einer geeigneten Kälteversorgung. Dies kann entweder durch regelmäßiges Nachfühlen mit flüssigem Stickstoff oder durch den Einsatz einer Kältemaschine zur Stickstoffrekondensation realisiert werden. Beim Einsatz einer Kältemaschine hat man einen von der Stickstoffnachlieferung unabhängigen Betrieb mit geschlossenem Kühlsystem. Die Energiedissipation in dem HTSL-Element selbst ist unter Normalbedingungen vernachlässigbar klein. Für die Auslegung des Kühlsystems ist von Bedeutung, dass der größte Teil der Wärmelast durch die metallischen Stromzuführungen verursacht wird. Die Auslegung des Kühlsystems muss sich daher an der thermodynamischen Analyse der Stromzuführungen orientieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Analyse von Kühlmethoden für solche Stromzuführungen hinsichtlich ihrer Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Ein neues Kühlsystem auf der Basis einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade wird vorgeschlagen als Alternative zu den derzeit in Frage kommenden Kühltechniken. Es wurde folgende Vorgehensweise gewählt: 1. Verschiedene Kühlmethoden zur Kühlung von SZF werden aufgeführt und thermodynamisch bewertet. 2. Kühlsysteme, basierend auf einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade, werden vorgeschlagen und deren Charakteristika mittels numerischer Simulation bestimmt. 3. Ein auf der Basis einer Gemisch-Kältemaschine gebauter Stickstoffverflüssiger wird in Betrieb genommen und getestet. 4. Die Funktion und die Effektivität der Gemisch-Stickstoff-Kaskade zur Kühlung der Stromzuführungen werden bewertet. 5. Zugehörige Kühlsysteme auf der Basis verschiedener Kühltechniken werden analysiert 6. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Kühlsysteme einander gegenübergestellt Insgesamt kann als Ergebnis festgehalten werden, dass der Einsatz der vorgestellten Gemisch-Stickstoff-Kaskadenanlagen zur Kälteversorgung im vorgestellten Anwendungsfall eine durchaus wettbewerbsfähige, voraussichtlich sogar überlegene Alternative zu den sonst verfügbaren Methoden darstellt.

The work described in this thesis uses oxygen NMR to probe the electronic system of rare earth co-doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, the prototypical high temperature superconducting cuprate (HTSC). Oxygen NMR turns out to be a powerful tool for this purpose. The nucleus is located directly inside the CuO_2 planes. It has a spin of 5/2 and a quadrupole moment and therefore can probe both, interactions with the magnetic hyperfine field as well as interactions through the electric field gradient of the crystal. Furthermore, the spin lattice relaxation time T_1 and the spin spin relaxation time T_2 contain information about the dynamics of these interactions. Such a link between the spin and charge structures in high temperature superconductors has been elusive until today. Instead, there are magnetic probes such as neutron scattering and muSR that provide evidence for a modulation of the spin structure and static magnetic moments, respectively, and charge probes like STM that reveal inhomogeneous doping distributions in the CuO_2 planes. In either case, inhomogeneities in the spin and charge system seem to be typical for HTSCs. Whereas the spin and charge modulations are believed to be dynamic in the superconducting compounds, they become static at low temperatures in Eu doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, where superconductivity is suppressed. As could be demonstrated here, evidence for such a spin and charge separation, that often revealed stunning similarities to the spin ladder compounds, is apparent in almost all measured NMR parameters. / In dieser Arbeit werden Sauerstoff NMR Untersuchungen der elektronischen Struktur von Selten-Erd dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4, dem prototypischen Hochtemperatursupraleiter (HTSL), vorgestellt. Sauerstoff NMR ist zu diesem Zweck besonders gut geeignet. Der Kern befindet sich innerhalb der Kupferoxid-Ebenen. Er hat einen Spin von 5/2 und ein Quadrupolmoment. Damit lassen sich Wechselwirkungen mit dem magnetischen Hyperfeinfeld der Cu-Atome sowie Wechselwirkungen mit dem elektrischen Feldgradienten des Kristalls untersuchen. Des Weiteren geben die Spin-Gitter-Relaxationszeit T_1 sowie die Spin-Spin-Relaxationszeit T_2 Aufschluss über die Dynamik dieser beiden Wechselwirkungen. Eine Verbindung zwischen der Spin- und Ladungsordnung gibt es in den HTSL bisher nicht. Statt dessen haben magnetische Messmethoden wie Neutronenstreuung oder muSR Aussagen über die magnetische Ordnung geliefert. Unabhängig davon liefern Messmethoden wie STM nur Informationen über eine Ladungsordnung oder inhomogene Ladungsverteilungen. Inhomogenitäten der Spins und Ladungen scheinen aber typisch für die HTSL zu sein. Man vermutet, dass diese Inhomogenitäten dynamisch in den supraleitenden Verbindungen sind, während sie in Eu dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4 bei tiefen Temperaturen statisch werden und die Supraleitung unterdrücken. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich diese Ladungs- und Spininhomogenitäten in vielen Parametern der NMR Spektren bemerkbar machen.

The thesis is dealing with the investigation of charge and orbital order and their behaviour under external pressure. Therefore, a new pressure cell has been developed which allows the observation of superlattice reflections corresponding to the order phenomena under pressure using scattering of high-energy synchrotron radiation. The maximum pressure that can be reached is 1.25 GPa. Until today there has been no possibility to conduct such studies of charge and orbital order superlattice reflections under pressure using x-ray scattering. The intensities of the reflections of the single crystalline samples are quite weak compared to fundamental peaks. Therefore the measurements are strongly affected by the absorption of the radiation in the pressure cell itself. Further difficulties result from the facts that low temperatures are needed and the sample has to be oriented in reciprocal space after being mounted into the cell. Therefore, the design of a compact clamp-type piston pressure cell was chosen here. The cell is made from a copper-beryllium alloy with the wall thickness reduced in the height of the sample volume. This allows the usage inside a closed-cycle cryostat mounted on a three-axis-diffractometer. Absorption effects are minimized due to the combination of reduced wall thickness and the usage of high energy synchrotron radiation (E = 100 keV at the beamline BW5 at HASYLAB/DESY). The new experimental technique was established and used for a study of two representatives of the transition metal oxide compounds, i.e. doped cuprates and manganites, which belong to the class of strongly correlated electron systems. The 1/8-doped cuprate La_{2-x}Ba_{x}CuO_{4} reveals an ordered state at low temperatures. Inside the CuO_{2} planes a combined order of charge stripes and antiferromagnetic spin stripes is observed. The ordering results from the interaction between charge, spin and lattice degrees of freedom. Here the lattice degrees of freedom play a major role. Particularly, a structural transition from an orthorhombic to a tetragonal symmetry is prerequisite for the observation of the ordered state. The cell constructed in this work allows a more exact analysis of the coupling between the crystal lattice and the formation of the charge and spin ordered phase. The manganite system Pr_{0.7}(Ca_{0.9}Sr_{0.1})_{0.3}MnO_{3} shows a strong magnetoresistive effect, called colossal magnetoresistance (CMR). In this system, several ordered phases can be found, which exhibit charge, spin and - since the orbital degree of freedom is also present in the manganites - additionally orbital ordering phenomena. In particular, an antiferromagnetically spin ordered insulating phase, which is connected to a charge- and orbital ordered state competes with a ferromagnetic metallic phase. This competition leads to a phase separation, which determines the properties of the sample. Both phases are strongly coupled to the lattice degrees of freedom, so that application of external pressure drastically affects the interplay between the different phases and allows a detailed study of the relation between the charge and orbital ordered phase and the crystal structure. / Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit dem Studium der Ordnungszustände von Ladungen und Orbitalen und deren Beeinflußung durch externen Druck. Als experimentelle Neuentwicklung wurde dafür eine Druckzelle entworfen, mit deren Hilfe die Beobachtung der jeweiligen Ordnungsphänomene unter Druck mittels der Streuung hochenergetischer Synchtrotronstrahlung möglich ist. Die Zelle erlaubt die Messung der orbitalen und Ladungsüberstrukturreflexe, welche aus den geordneten Zuständen resultieren, in einem Druckbereich bis 1.25 GPa. Die experimentelle Herausforderung ergibt sich hierbei aus der Tatsache, dass die Überstrukturreflexe im Vergleich zu den fundamentalen Reflexen der einkristallinen Proben sehr schwach sind und zusätzlich durch die Absorption im Mantelmaterial der Druckzelle stark beeinträchtigt werden. Darüber hinaus soll die Zelle bei tiefen Temperaturen einsetzbar und die Probe auch innerhalb der Zelle im reziproken Raum orientierbar sein. Bei dem hier realisierten Ansatz wurde für das Design daher der Typ einer kompakten Klemmdruckzelle aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung gewählt, deren Zellwände im Bereich des Probenvolumens reduziert wurden. Dadurch ist der Einsatz der Zelle im Inneren eines Closed-Cycle-Kryostaten auf einem Einkristall-Diffraktometer möglich. Aufgrund der geringen Wandstärke der Zelle und der Nutzung von hochenergetischer Röntgenstrahlung (E = 100 keV am Messplatz BW5 des HASYLAB/DESY) werden Absorptionseffekte minimiert. Die neue Messmethode wurde im Rahmen der Arbeit etabliert und zur Untersuchung zweier wichtiger Übergangsmetalloxidverbindungen (dotierte Kuprate, Manganate), die zur Klasse der stark korrelierten Elektronensysteme gehören, eingesetzt. Das 1/8-dotierte Kupratsystem La_{2-x}Ba_{x}CuO_{4}, weist bei tiefen Temperaturen einen statisch geordneten Zustand auf. Innerhalb der CuO_{2}-Schichten des Kristalls ergibt sich eine Ordnung, bei der sich Streifen lokalisierter Löcher und antiferromagnetische Bereiche abwechseln. Ursache dieses Zustands ist das Wechselspiel von Ladungen, Spins und strukturellen Freiheitsgraden. Dabei spielen letztere eine herausgehobene Rolle. So ist insbesondere ein struktureller Übergang von einer orthorhombischen zu einer tetragonalen Phase Voraussetzung für die Beobachtung der Ordnung. Die in dieser Arbeit aufgebaute Druckzelle erlaubt eine genauere Analyse des Zusammenhangs zwischen Struktur des Kristalls und der Ausbildung der ladungs- und spingeordneten Phase. Das Manganatsystem Pr_{0.7}(Ca_{0.9}Sr_{0.1})_{0.3}MnO_{3}, zeichnet sich durch einen sehr starken magnetoresistiven Effekt aus, der auch als kolossaler Magnetowiderstand (CMR) bezeichnet wird. Auch hier kann bei tiefen Temperaturen eine geordnete Phase beobachtet werden. Allerdings spielt in diesem System zusätzlich der orbitale Freiheitsgrad der Elektronen eine entscheidende Rolle, so dass sich eine kombinierte Ladungs- und Orbitalordnung ergibt. Diese Phase, die isolierend und zusätzlich antiferromagnetisch geordnet ist, steht im direkten Wettbewerb zu einer ferromagnetischen Phase. Aus dieser Konkurrenz ergibt sich eine Tendenz zur Phasenseparation, deren Effekte die Eigenschaften des Kristalls dominieren. Da beide Phasen stark an die strukturellen Freiheitsgrade gekoppelt sind, läßt sich das Gleichgewicht zwischen ihnen durch externen Druck beeinflussen und die Abhängigkeit der ladungs- und orbitalgeordneten Phase von den strukturellen Eigenschaften des Kristalls im Detail untersuchen.

Die für technische Anwendungen attraktivsten Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter beruhen auf der Wechselwirkung der Materialien mit einem externen Magnetfeld. Für hochleistungsfähige Supraleiteranwendungen werden großvolumige Funktionselemente mit eindomänigem Magnetisierungsverhalten benötigt. Zur Vergrößerung der magnetischen Domäne schmelztexturierter YBa2Cu3O7-δ-Kompaktsupraleiter wurde anhand der Multi-Seeding-Technik, die Rekristallisation unter Verwendung mehrerer SmBa2Cu3O7-δ-Keimpräparate untersucht. Als Schlüsseltechnologie zur Herstellung anwendungsorientierter Supraleitererzeugnisse wurde zu Beginn der Arbeit die Keimkristallherstellung optimiert. Gemäß den Zielvorgaben stehen zukünftig quasi-einkristalline Keimkörper definierter Form und Orientierung in hoher Stückzahl zur Verfügung. Die Supraleiter betreffend ist es gelungen, für den wechselseitigen Abstand und die Ausrichtung der Keimpräparate ein Optimum zu finden sowie tolerierbare Winkel der Verschwenkung angrenzender Kristalle zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass das Auftreten isolierender Korngrenzeneinschlüsse mit den magnetischen Materialeigenschaften korreliert und vom Keimabstand und der Korngrenzenorientierung abhängig ist. Mit Einsatz von bis zu 16 Keimkristallen gelang es, eindomänige Supraleiterhalbzeuge mit Höchstmaßen von (79 x 39 x 20) mm3 und Remanenzflussdichten von bis zu 1,3 T zu erzeugen. Im Chargenprozess konnten abschließend Multi-Seeding-Funktionselemente mit anwendungskonformen geometrischen und magnetischen Materialeigenschaften zum Aufbau eines hochdynamischen Supraleitermotors reproduzierbar gefertigt werden. In Leistungstests wurde für die Dynamik des Motors mit 200.000 rpm/s ein Rekordwert erzielt – nun können die Motoren in der Anwendung erprobt werden.