In searching for novel optimal superconductors, three strategic routes based on theoretical and experimental knowledge from the known high-Tc superconductors are followed. CaFe4As3 is a newly discovered 3D compound, with Fe2+ in tetrahedral coordination, similar to that in the parent compounds of the known superconductors. The thermodynamic and transport properties reveal a spin density wave (SDW) transition at TN = 88 K, and an incommensurate-to-commensurate SDW transition at T2=26.4 K. A large electronic specific heat coefficient γ=0.02 J/molK^2 and an unusually high Kadowaki-Woods (KW) ratio A/γ^2=55×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 point to strong electron correlations. While the commensurate SDW state below T2 is suppressed in Co-doped CaFe4As3, neither doping with P, Yb, Co and Cu, nor application of hydrostatic pressures up to 5 GPa, is able to fully suppress the robust incommensurate SDW order in this system. The new layered compound SrMnBi2 has been studied as a promising candidate for high Tc superconductivity as suggested by theoretical calculations. We found that SrMnBi2 is structurally similar to, but more two dimensional than the known Fe superconductors. Two phase transitions at T1=292 K and T2=252 K have been observed. A large electronic specific heat coefficient γ=36.5 mJ/molK^2 and a KW ratio of 9.38×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 indicate enhanced electron correlations. DFT calculations have revealed metallic Sr-Bi layers in SrMnBi2, as well as Dirac-cone like features in the band structure. Doping experiments on the Mott insulator Sr2F2Fe2OS2 have been carried out to search for superconductivity at the localized-to-itinerant moment crossover. Increasing amounts of T=Mn in Sr2F2(Fe1−xTx)2OS2 suppress the long range magnetic ordering at x≈0.2, and the subsequent increase in x results in a spin glass behavior for 0.2≤x≤0.5, and possibly a new magnetic order for x≥0.5. By contrast, Co-doping increases the AFM transition from TN=106 K for x=0 up to 124 K for x=0.3. The excitation gap determined from the electrical resistivity is minimized but remains finite around x=0.5 for T=Mn. In addition, a study has been done on a rare binary type I superconductor YbSb2. Besides the superconducting transition at Tc=1.30 K, a possible second superconducting phase is observed below Tc(2)=0.41 K. From thermodynamic and transport measurements, there is strong, unambiguous evidence for the type I nature of the superconductivity in YbSb2.

In searching for novel optimal superconductors, three strategic routes based on theoretical and experimental knowledge from the known high-Tc superconductors are followed. CaFe4As3 is a newly discovered 3D compound, with Fe2+ in tetrahedral coordination, similar to that in the parent compounds of the known superconductors. The thermodynamic and transport properties reveal a spin density wave (SDW) transition at TN = 88 K, and an incommensurate-to-commensurate SDW transition at T2=26.4 K. A large electronic specific heat coefficient γ=0.02 J/molK^2 and an unusually high Kadowaki-Woods (KW) ratio A/γ^2=55×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 point to strong electron correlations. While the commensurate SDW state below T2 is suppressed in Co-doped CaFe4As3, neither doping with P, Yb, Co and Cu, nor application of hydrostatic pressures up to 5 GPa, is able to fully suppress the robust incommensurate SDW order in this system. The new layered compound SrMnBi2 has been studied as a promising candidate for high Tc superconductivity as suggested by theoretical calculations. We found that SrMnBi2 is structurally similar to, but more two dimensional than the known Fe superconductors. Two phase transitions at T1=292 K and T2=252 K have been observed. A large electronic specific heat coefficient γ=36.5 mJ/molK^2 and a KW ratio of 9.38×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 indicate enhanced electron correlations. DFT calculations have revealed metallic Sr-Bi layers in SrMnBi2, as well as Dirac-cone like features in the band structure. Doping experiments on the Mott insulator Sr2F2Fe2OS2 have been carried out to search for superconductivity at the localized-to-itinerant moment crossover. Increasing amounts of T=Mn in Sr2F2(Fe1−xTx)2OS2 suppress the long range magnetic ordering at x≈0.2, and the subsequent increase in x results in a spin glass behavior for 0.2≤x≤0.5, and possibly a new magnetic order for x≥0.5. By contrast, Co-doping increases the AFM transition from TN=106 K for x=0 up to 124 K for x=0.3. The excitation gap determined from the electrical resistivity is minimized but remains finite around x=0.5 for T=Mn. In addition, a study has been done on a rare binary type I superconductor YbSb2. Besides the superconducting transition at Tc=1.30 K, a possible second superconducting phase is observed below Tc(2)=0.41 K. From thermodynamic and transport measurements, there is strong, unambiguous evidence for the type I nature of the superconductivity in YbSb2.

In searching for novel optimal superconductors, three strategic routes based on theoretical and experimental knowledge from the known high-Tc superconductors are followed. CaFe4As3 is a newly discovered 3D compound, with Fe2+ in tetrahedral coordination, similar to that in the parent compounds of the known superconductors. The thermodynamic and transport properties reveal a spin density wave (SDW) transition at TN = 88 K, and an incommensurate-to-commensurate SDW transition at T2=26.4 K. A large electronic specific heat coefficient γ=0.02 J/molK^2 and an unusually high Kadowaki-Woods (KW) ratio A/γ^2=55×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 point to strong electron correlations. While the commensurate SDW state below T2 is suppressed in Co-doped CaFe4As3, neither doping with P, Yb, Co and Cu, nor application of hydrostatic pressures up to 5 GPa, is able to fully suppress the robust incommensurate SDW order in this system. The new layered compound SrMnBi2 has been studied as a promising candidate for high Tc superconductivity as suggested by theoretical calculations. We found that SrMnBi2 is structurally similar to, but more two dimensional than the known Fe superconductors. Two phase transitions at T1=292 K and T2=252 K have been observed. A large electronic specific heat coefficient γ=36.5 mJ/molK^2 and a KW ratio of 9.38×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 indicate enhanced electron correlations. DFT calculations have revealed metallic Sr-Bi layers in SrMnBi2, as well as Dirac-cone like features in the band structure. Doping experiments on the Mott insulator Sr2F2Fe2OS2 have been carried out to search for superconductivity at the localized-to-itinerant moment crossover. Increasing amounts of T=Mn in Sr2F2(Fe1−xTx)2OS2 suppress the long range magnetic ordering at x≈0.2, and the subsequent increase in x results in a spin glass behavior for 0.2≤x≤0.5, and possibly a new magnetic order for x≥0.5. By contrast, Co-doping increases the AFM transition from TN=106 K for x=0 up to 124 K for x=0.3. The excitation gap determined from the electrical resistivity is minimized but remains finite around x=0.5 for T=Mn. In addition, a study has been done on a rare binary type I superconductor YbSb2. Besides the superconducting transition at Tc=1.30 K, a possible second superconducting phase is observed below Tc(2)=0.41 K. From thermodynamic and transport measurements, there is strong, unambiguous evidence for the type I nature of the superconductivity in YbSb2.

In searching for novel optimal superconductors, three strategic routes based on theoretical and experimental knowledge from the known high-Tc superconductors are followed. CaFe4As3 is a newly discovered 3D compound, with Fe2+ in tetrahedral coordination, similar to that in the parent compounds of the known superconductors. The thermodynamic and transport properties reveal a spin density wave (SDW) transition at TN = 88 K, and an incommensurate-to-commensurate SDW transition at T2=26.4 K. A large electronic specific heat coefficient γ=0.02 J/molK^2 and an unusually high Kadowaki-Woods (KW) ratio A/γ^2=55×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 point to strong electron correlations. While the commensurate SDW state below T2 is suppressed in Co-doped CaFe4As3, neither doping with P, Yb, Co and Cu, nor application of hydrostatic pressures up to 5 GPa, is able to fully suppress the robust incommensurate SDW order in this system. The new layered compound SrMnBi2 has been studied as a promising candidate for high Tc superconductivity as suggested by theoretical calculations. We found that SrMnBi2 is structurally similar to, but more two dimensional than the known Fe superconductors. Two phase transitions at T1=292 K and T2=252 K have been observed. A large electronic specific heat coefficient γ=36.5 mJ/molK^2 and a KW ratio of 9.38×10E−5 μΩcm mol^2K^2/mJ^2 indicate enhanced electron correlations. DFT calculations have revealed metallic Sr-Bi layers in SrMnBi2, as well as Dirac-cone like features in the band structure. Doping experiments on the Mott insulator Sr2F2Fe2OS2 have been carried out to search for superconductivity at the localized-to-itinerant moment crossover. Increasing amounts of T=Mn in Sr2F2(Fe1−xTx)2OS2 suppress the long range magnetic ordering at x≈0.2, and the subsequent increase in x results in a spin glass behavior for 0.2≤x≤0.5, and possibly a new magnetic order for x≥0.5. By contrast, Co-doping increases the AFM transition from TN=106 K for x=0 up to 124 K for x=0.3. The excitation gap determined from the electrical resistivity is minimized but remains finite around x=0.5 for T=Mn. In addition, a study has been done on a rare binary type I superconductor YbSb2. Besides the superconducting transition at Tc=1.30 K, a possible second superconducting phase is observed below Tc(2)=0.41 K. From thermodynamic and transport measurements, there is strong, unambiguous evidence for the type I nature of the superconductivity in YbSb2.

The topic of this thesis is vortex-physics in multi component Ginzburg- Landau models. These models describe a newly discovered class of super- conductors with multiple superconducting gaps, and possess many properties that set them apart from single component models. The work presented here relies on large scale computer simulations using various numerical techniques, but also on some analytical methods. In Paper I, Type-1.5 Superconducting State from an Intrinsic Proximity Effect in Two-Band Superconductors, we show that in multiband supercon- ductors, even an extremely small interband proximity effect can lead to a qualitative change in the interaction potential between superconducting vor- tices, by producing long-range intervortex attraction. This type of vortex interaction results in an unusual response to low magnetic fields, leading to phase separation into domains of two-component Meissner states and vortex droplets. In paper II, Type-1.5 superconductivity in two-band systems, we discuss the influence of Josephson coupling and show that non-monotonic intervortex interaction can also arise in two-band superconductors where one of the bands is proximity induced by Josephson interband coupling. In paper III, Type-1.5 superconductivity in multiband systems: Effects of interband couplings, we investigate the appearance of Type-1.5 superconduc- tivity in the case with two active bands and substantial inter-band couplings such as intrinsic Josephson coupling, mixed gradient coupling, and density- density interactions. We show that in the presence of these interactions, the system supports type-1.5 superconductivity with fundamental length scales being associated with the mass of the gauge field and two masses of normal modes represented by linear combinations of the density fields. In paper IV, Semi-Meissner state and nonpairwise intervortex interactions in type-1.5 superconductors, we demonstrate the existence of nonpairwise in- tervortex forces in multicomponent and layered superconducting systems. We also consider the properties of vortex clusters in a semi-Meissner state of type- 1.5 two-component superconductors. We show that under certain conditions nonpairwise forces can contribute to the formation of complex vortex states in type-1.5 regimes. In paper V, Length scales, collective modes, and type-1.5 regimes in three- band superconductors, we consider systems where frustration in phase dif- ferences occur due to competing Josephson inter-band coupling terms. We show that gradients of densities and phase differences can be inextricably intertwined in vortex excitations in three-band models. This can lead to long-range attractive intervortex interactions and the appearance of type-1.5 regimes even when the intercomponent Josephson coupling is large. We also show that field-induced vortices can lead to a change of broken symmetry from U (1) to U (1) ⇥ Z2 in the system. In the type-1.5 regime, it results in a semi-Meissner state where the system has a macroscopic phase separation in domainswithbrokenU(1)andU(1)⇥Z2 symmetries. In paper VI, Topological Solitons in Three-Band Superconductors with Broken Time Reversal Symmetry, we show that three-band superconductors with broken time reversal symmetry allow magnetic flux-carrying stable topo- logical solitons. They can be induced by fluctuations or quenching the system through a phase transition. It can provide an experimental signature of the time reversal symmetry breakdown. In paper VII, Type-1.5 superconductivity in multiband systems: Magnetic response, broken symmetries and microscopic theory – A brief overview, we give an overview of vortex physics and magnetic response in multi component Ginzburg-Landau theory. We also examine Type-1.5 superconductivity in the context of microscopic theory. In paper VIII, Chiral CP2 skyrmions in three-band superconductors, we show that under certain conditions, three-component superconductors (and, in particular, three-band systems) allow stable topological defects different from vortices. We demonstrate the existence of these excitations, charac- terised by a CP2 topological invariant, in models for three-component super- conductors with broken time-reversal symmetry. We term these topological defects “chiral GL(3) skyrmions,” where “chiral” refers to the fact that due to broken time-reversal symmetry, these defects come in inequivalent left- and right-handed versions. In certain cases, these objects are energetically cheaper than vortices and should be induced by an applied magnetic field. In other situations, these skyrmions are metastable states, which can be produced by a quench. Observation of these defects can signal broken time-reversal sym- metry in three-band superconductors or in Josephson-coupled bilayers of s± and s-wave superconductors. In paper IX, Phase transition in multi-component superconductors, we ex- amine the thermodynamics of frustrated multi-components superconductors and show that their highly complex energy landscape can give rise new types of phase transitions not present in single component superconductors. / <p>QC 20131205</p>

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18051号 / 理博第3929号 / 新制||理||1567(附属図書館) / 30909 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 石田 憲二, 教授 前野 悦輝, 教授 松田 祐司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

<p>This thesis details a collection of experiments performed on two condensed matter systems, Co-doped BaFe₂As₂ and URu₂Si₂. These two materials are related by their structural type (<em>ThCr₂Si₂</em>-type) serving as great examples of the diversity of material properties present in this family. They are also both superconducting materials and belong to the collection of strongly-correlated electron systems. The interest in studying the Ba(Fe,Co)₂As₂ group of materials is due to the high superconducting transition temperature in these (and related) materials, while the compound URu₂Si₂ was studied due to the presence of a poorly-understood 'hidden order' phase.</p> <p>Muon spin relaxation/rotation/resonance (µSR) was used to measure several single crystals of the series Ba(Fe_2-<em>x</em>Co<em>_x</em>)₂As₂ with Cobalt concentrations <em>x </em>= 0.038, 0.047, 0.061, 0.074, 0.107 and 0.114, and a single crystal of Sr(Fe_0.87Co_0.13)₂As₂. The two samples with the lowest doping, <em>x </em>= 0.038 and <em>x </em>= 0.047, showed strong c-axis magnetism occurring below the magnetic transition, T_SDW. The measurements suggest that the local magnetic field is increasingly disordered as the concentration of Co increases. These samples were shown to exhibit both superconductivity and magnetism, but that the entire sample contains non-zero local magnetic fields, meaning that superconductivity exists in or near regions of strong magnetic order.</p> <p>The remaining compounds (with <em>x </em>= 0.061, 0.074, 0.107, 0.114 and Sr(Fe_0.87Co_0.13)₂As₂) were measured with zero-field (ZF)-µSR and no magnetic ordering was found down to T = 1.65 K. An analytic Ginzburg-Landau model was used to fit the data and obtain absolute values for the penetration depth, λ. A model for the temperature dependence of the density of superconducting carriers, n_s ≈ λ², based on two <em>s</em>-wave gaps describes the data well. Below T_SC, a paramagnetic frequency shift was observed indicative of field-induced magnetism along the c crystallographic direction.</p> <p>Measurements of URu₂Si₂ under chemical and hydrostatic pressure have focused on measuring the spin correlations that are present in the hidden order phase. The chemical pressure that is induced by 5% Re doping perturbs, but does not destroy, the commensurate spin excitations. The spin gap that is present in the parent material is also present under this chemical doping. The hidden order phase survives at least halfway to the quantum critical point to ferromagnetism, but is weakened by the Re substitution.</p> <p>Under hydrostatic pressure of 10.1 kbar, URu₂Si₂ becomes antiferromagnetic, but the spin correlations are found to be qualitatively similar to those of the hidden order phase. The width in reciprocal space (Q-width) of the excitations and their gapped nature remains unchanged upon entering the antiferromagnetic phase. Quantitatively, there is an increase in the magnitude of the gap at Q = (1.4 0 0). This may be a result of the increase in the transition temperature preceding the entry to the antiferromagnetic phase.</p> <p>Due to the large difference in their properties, and hence the motivation for studying Ba(Fe_1-<em>x</em>Co<em>_x</em>)₂As₂ and URu₂Si₂, they will be introduced and presented separately. Chapter 1 will provide the necessary background material on Ba(Fe,Co)₂As₂, while Chapter 2 will provide the background for the work on URu₂Si₂. Chapter 3 will describe the experimental techniques that were used to study these systems.</p> <p>Original research results on Ba(Fe,Co)₂As₂ are presented in Chapter 4. This is mainly focused on µSR measurements of dopings that display superconductivity. Samples that did not order magnetically were measured in the mixed state to measure the vortex lattice to extract the various properties, including the superconducting pairing symmetry. Samples that did order magnetically were measured to analyze the amount of magnetic disorder and discover the extent of coexistence or phase separation between magnetism and superconductivity.</p> <p>Chapter 5 details the original research results on URu₂Si₂. This involved crystal growth of these compounds, and two neutron scattering experiments to measure the spin correlations while perturbing the hidden order state. The first experiment was done on a Re-doped crystal, URu_1.9Re_0.1Si₂. Doping with Re suppresses the hidden order, eventually leading to ferromagnetism at higher dopings. This work showed that the spin correlations are also suppressed, but not as quickly as the hidden order. The second experiment was on pure URu₂Si₂ under hydrostatic pressure. Applied pressure increases the hidden order transition, but eventually leads to antiferromagnetism, the phase in which the experiment was performed.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

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.

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.

Continued pursuit of better superconducting devices and an understanding of how the focused ion beam evolves in a complex material are the primary motivations behind this work. The materials of interest are MgB2 and Co-doped Ba122. Superconducting properties of MgB2 were discovered in 2001. It is the first superconductor recognized as a multigap superconductor. Owing to its high Tc of ~39K, electronic circuits based on this material are expected to operate at a much higher temperature (~25 K) than low-temperature superconductors, using compact cryocoolers. Co-doped Ba122 is also a multigap superconductor which belongs to Fe-based superconductor (FeSC) family. The undoped Ba122 compound is a metal exhibiting antiferromagnetism which coexists with superconducting phase up to a certain doping level. The optimally electron-doped BaFe2As2 exhibits the transition temperature Tc of ~21 K which corresponds to the top of the “dome” in the phase diagram. While the Fe-based SC may not signify a particular advance in terms of practical applications, many unique aspects make them worth studying. In particular, the superconducting gap symmetry and structures which appear to be quite different from family to family and not yet fully understood. We report on investigating the normal-state, and superconducting properties of Co-doped BaFe2As2 and MgB2 thin films irradiated at room temperature using a 30-keV focused He+ ion beam in helium ion microscope (HIM). R-T measurement was carried out to extract the dose dependence for Tc and resistivity p0 of the irradiated region. We observed an increase in p0 and a decrease in Tc down to complete suppression of superconductivity for both materials, although the trend of the changes was quite different. In addition, for Ba122, the data for ΔTc ⁄ Tc0 versus measured change in resistivity favors s± over s++ symmetry. Using TRIM software, the projected range and the damage density distribution of the He+ ions were tracked in the samples. Single track irradiation sites for MgB2 sample were characterized using FIB extraction/TEM. The TEM micrographs reveal the subsurface damage density contours that evolve with increasing dose. The Josephson effect is a unique phenomenon that gives direct access to the phase difference �� of the macroscopic wave functions that describe the superconducting state. Josephson junction is also appealing for engineering application in superconducting electronics. Having found the dose at which complete suppression of Tc occurs from the first part of the study, a fabrication process was developed to produce planar Josephson junctions from MgB2 and Co-doped Ba122. The Josephson coupling across the barrier for both materials was observed. MgB2 Josephson junctions showed resistivity shunted junction (RSJ) I-V curve with excellent uniformity and reproducibility. We have also demonstrated tens of planar MgB2 Josephson junctions operating coherently in series arrays. 60 Josephson junction series arrays successfully developed with less than 4% spread in critical current at 12 K. Under microwave radiation, flat giant Shapiro steps up to 150 μA width appear at voltages Vn=NnΦ0f, where N is the number of junction in the array, �� is an integer representing Shapiro step index, and f is the applied microwave frequency. The uniformity and close spacing of JJs in the arrays are significantly better than MgB2 multi-junction devices made by other techniques. It has been a huge success in showing the feasibility of this technology for pursuing superconducting digital electronics, Josephson voltage standards and arbitrary function generators in particular, in MgB2 with ≥ 20K operating temperature. / Physics