Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem ferromagnetischen Kondo-Gitter-Modell (s-d-, s-f-Modell) für Filmstrukturen. Die Spin-Fermion-Wechselwirkung des Modells kommt in Materialien vor, in denen lokalisierte Spins mit beweglichen Ladungsträgern wechselwirken, wie etwa in (verdünnten) magnetischen Halbleitern, Manganaten, oder Seltene-Erd-Verbindungen. Die durch die Ladungsträger vermittelte, indirekte Wechselwirkung zwischen den lokalisierten Spins reicht von der langreichweitigen, oszillierenden RKKY-Austauschwechselwirkung im Falle schwacher Kopplung bis zur kurzreichweitigen Doppelaustausch-Wechselwirkung bei starker Spin-Fermion-Kopplung. Beide Grenzfälle werden in dieser Arbeit durch die Abbildung des Problems auf ein effektives Heisenberg-Modell erfasst. Der Einfluss von reduzierter Translationssymmetrie auf die effektive Austauschwechselwirkung und auf die magnetischen Eigenschaften des ferromagnetischen Kondo-Gitter-Modells wird untersucht. Curie-Temperaturen werden für verschiedene Parameterkonstellationen berechnet. Die Auswirkungen von Ladungstransfer und von Gitter-Relaxation auf die magnetische Oberflächenstabilität werden betrachtet. Die Diskussion bezieht sich auf die Modifizierungen der Zustandsdichte und der kinetischen Energie im dimensionsreduzierten Fall, da die effektiven Austauschintegrale eng mit diesen Größen verknüpft sind. Die Bedeutung von Spinwellen für den Magnetismus dünner Filme und an der Oberfläche wird gezeigt. Die Interlagen-Austauschkopplung stellt ein besonders interessantes und wichtiges Beispiel der indirekten Wechselwirkung zwischen lokalisierten Momenten dar. Im Rahmen einer RKKY-Behandlung wird die Kopplung zwischen Monolagen in dünnen Filmen untersucht. Sie wird entscheidend durch die Art der ebenen und senkrechten Ladungsträgerdispersion bestimmt und ist jenseits eines kritischen Wertes der Fermi-Energie stark unterdrückt. Schließlich wird die temperaturabhängige magnetische Stabilität von interlagen-gekoppelten dünnen Filmen behandelt und die Bedingungen für einen temperaturgetriebenen magnetischen Reorientierungsübergang werden diskutiert. / This thesis is concerned with the ferromagnetic Kondo lattice (s-d, s-f) model for film geometry. The spin-fermion interaction of this model refers to materials in which localized spins interact with mobile charge carriers like in (dilute) magnetic semiconductors, manganites, or rare-earth compounds. The carrier-mediated, indirect interaction between the localized spins comprises the long-range, oscillatory RKKY exchange interaction in the weak-coupling case and the short-range double-exchange interaction for strong spin-fermion coupling. Both limits are recovered in this work by mapping the problem onto an effective Heisenberg model. The influence of reduced translational symmetry on the effective exchange interaction and on the magnetic properties of the ferromagnetic Kondo lattice model is investigated. Curie temperatures are obtained for different parameter constellations. The consequences of charge transfer and of lattice relaxation on the magnetic stability at the surface are considered. Since the effective exchange integrals are closely related to the electronic structure in terms of the density of states and of the kinetic energy, the discussion is based on the modifications of these quantities in the dimensionally-reduced case. The important role of spin waves for thin film and surface magnetism is demonstrated. Interlayer exchange coupling represents a particularly interesting and important manifestation of the indirect interaction among localized magnetic moments. The coupling between monatomic layers in thin films is studied in the framework of an RKKY approach. It is decisively determined by the type of in-plane and perpendicular dispersion of the charge carriers and is strongly suppressed above a critical value of the Fermi energy. Finally, the temperature-dependent magnetic stability of thin interlayer-coupled films is addressed and the conditions for a temperature-driven magnetic reorientation transition are discussed.

Das magnetische Verhalten zahlreicher Materialien lässt sich auf eine indirekte Wechselwirkung lokalisierter magnetischer Momente, vermittelt durch die Elektronen eines Leitungsbandes, zurückführen. Das Kondo-Gitter-Modell hat sich als elegante Möglichkeit bewährt, diesen Prozess quantenmechanisch zu beschreiben. Es reduziert die Physik auf eine intraatomare Wechselwirkung der Spins von lokalisierten und itineranten Elektronen. Die vorliegende Arbeit ist den analytischen Eigenschaften dieses Modells gewidmet. Die besondere Herausforderung des Kondo-Gitter-Modells besteht dabei im Zusammenwirken zweier verschiedener Teilchensorten, beschrieben durch Fermi-Operatoren sowie quantenmechanische Spins. Bisherige Untersuchungen haben sich in der Regel nur auf eine der beiden Teilchensorten konzentriert. Mit der Projektions-Operator-Methode stellen wir eine Möglichkeit vor, beide Teilsysteme in gleicher Qualität zu behandeln. Die Auswertung des Teilsystems der itineranten Elektronen führt auf einen Ausdruck für die Selbstenergie, der lineare und quadratische Effekte in der Wechselwirkung exakt beschreibt. Die resultierenden Zustandsdichten weisen starke Korrelationseffekte auf. Deren Untersuchung dient sowohl der Bestätigung von Ergebnissen weniger systematischer Zugänge als auch dem Aufzeigen neuer Vielteilchen-Phänomene. Die Anwendung der Projektions-Operator-Methode auf das System der lokalisierten Momente führt zu einer Analyse der bereits bekannten RPA (random phase approximation). Zu diesem Zweck werden die Magnonenspektren und die Curie-Temperaturen systematisch untersucht. Dabei treten bisher unbekannte Schwachpunkte der RPA zu Tage, die auch die Kombination mit Theorien für das itinerante Teilsystem verhindern. Verbesserungen und Alternativen zur RPA werden diskutiert. / The magnetic behaviour of various materials is due to an indirect interaction of localized magnetic moments, which is based on itinerant electrons in a conduction band. The Kondo-lattice model is an elegant approach for a quantum-mechanical description of this process. It reduces the relevant physics to an intra-atomic exchange interaction of the localized and the itinerant electrons. The aim of the present work is a detailed investigation of analytic properties of this model. Here, the interplay of two distinct types of particles, described by Fermi operators and quantum-mechanical spin operators respectively, is a major challenge of the considered model. Previous studies have focused on one of these subsystems only. Using the projection-operator method, we suggest an efficient way to describe both subsystems on the same level of approximation. An evaluation of the subsystem of itinerant electrons yields an expression for the self-energy, which describes linear and quadratic interaction effects exactly. The densities of states derived with this theory show strong correlation effects. We were able to assess results obtained with less systematic approaches and to predict new many-particle effects. The application of the projection-operator method to the subsystem of localized magnetic moments results in a detailed analysis of the RPA (random phase approximation). The dependence of magnon spectra and Curie temperatures on model parameters are investigated systematically. Previously unknown drawbacks of the RPA are revealed, which prevent the combination of these results with theories for the itinerant subsystem. Improvements beyond RPA and alternative approximations are discussed.

In dieser Arbeit wird das eindimensionale Kondo-Gitter-Modell untersucht, das die Wechselwirkung eines Gitters lokaler magnetischer Momente mit unkorrelierten Leitungselektronen beschreibt. Mit Hilfe der Methode der kontinuierlichen unitären Transformationen (Flussgleichungen) wird das Modell im Parameterbereich schwacher Wechselwirkungsstärke betrachtet. In diesem Bereich zeigt das Modell so genanntes Luttinger-Flüssigkeitsverhalten. Im Rahmen der Flussgleichungsmethode wird der Hamilton-Operator auf ein effektives Modell abgebildet, in dem Elektronen und Spinmomente vollständig entkoppelt sind. Das Resultat dieses Prozesses ist ein Modell, das ein nichtwechselwirkendes Elektronengas und eine Heisenberg-Spinkette beschreibt. Das Eigenwertproblem der Heisenberg-Kette wird im Rahmen einer Schwinger-Boson-Molekularfeld-Theorie beschrieben. Zur Charakterisierung der Grundzustandseigenschaften des eindimensionalen Kondo-Gitter-Modells wurden verschiedene Erwartungswerte und Korrelationsfunktionen betrachtet. Neben statischen Größen, wie der Ladungskorrelationsfunktion der Elektronen oder der Spinkorrelationsfunktion der lokalen Spinmomente, werden dynamische Größen, wie die elektronische Zustandsdichte oder die dynamischen Spinstrukturfaktoren der Elektronen und der lokalen Spinmomente, berechnet. / The one-dimensional Kondo lattice model is investigated. This model describes the interaction between a lattice of local magnetic moments and uncorrelated conduction electrons. It is studied by means of the continuous unitary transformation's method (flow equations) within the parameter regime of weak interaction strength. Here the model shows so called Luttinger liquid behaviour. Within the framework of the flow equation's method the original Hamiltonian is mapped on an effective model, where electrons and local moments are completely decoupled. The result of this process is a model describing a non-interacting electron gas and a Heisenberg spin chain. The eigenvalue problem of the Heisenberg chain is described within a Schwinger bosons molecular field theory. In order to characterise the ground state properties of the one-dimensional Kondo lattice model different expectation values and correlation functions are investigated. Beside static properties like the charge correlation function of the electrons or the local moment's spin correlation function, dynamic properties are determined, like the electronic density of states or the dynamic spin structure factor of both the electrons and the local moments.

Die Arbeit befasst sich mit der Elektronenspinresonanz (ESR) stark korrelierter Elektronensysteme mit ferromagnetischen Wechselwirkungen. Es wurden dafür Messungen an den Kondogitter-Systemen CeRuPO und CeOsPO, der Dotierungsreihe CeFeAs1-xPxO, den niederdimensionalen frustrierten Quadratgittern AA’VO(PO4)2 sowie in dem schwach ferromagnetischen Metall Nb1-yFe2+y durchgeführt. Alle Verbindungen zeigen entweder eine ferromagnetische Ordnung oder befinden sich in der Nähe einer ferromagnetischen Instabilität, die die Eigenschaften des stark korrelierten Systems beeinflusst.

Die Elektronenspinresonanz (ESR) untersucht die im quasistatischen Magnetfeld resonante Absorption eines an die Probe angelegten Mikrowellenmagnetfeldes. Es wurde das System Yb1-w A1-w (Rh1-x Cox)2 (Si1-y Gey) 2 mit A=La, bzw. Lu, sowie das System YbIr2Si2 mittels ESR untersucht. Unter Kondo-Wechselwirkung vieler Leitungselektronen mit einem lokalen 4f-Moment des Kondo-Ions bildet sich ein nicht-magnetisches Grundzustands-Singlett, was zur Abschirmung des magnetischen Moments führt. YbRh2Si2 ist das erste Schwere-Fermionen-System mit Kondo-Ionen, das ohne Dotierung zusätzlicher ESR-Sonden ein ESR-Signal unterhalb der Kondo-Temperatur aufweist. Es zeigt sich, dass das ESR-Signal nicht mittels gängiger ESR-Theorien konsistent beschrieben werden kann. Die Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit angestellt wurden, flossen in die Entwicklung von weiterführenden Theorien (z.B. [1], [2]) ein. Die Temperaturabhängigkeit des ESR-g-Faktors konnte damit erfolgreich beschrieben werden, womit erstmals der Nachweis einer Kondo-Wechselwirkung in Kondo-Gitter-Systemen mittels ESR gelang. Ferner konnte die Bedeutung von ferromagnetischen Fluktuationen für eine kleine, beobachtbare Linienbreite beschrieben werden. Der ESR-Methode ist somit die Kondo-Spindynamik direkt zugänglich. Dieser Zugang ist neu und einzigartig, denn andere Methoden (NMR, inelastische Neutronenstreuung) charakterisieren die Kondo-Spindynamik auf indirekte Weise. [1] P. Wölfle und E. Abrahams. Phenomenology of esr in heavy-fermion systems: Fermi-liquid und nicht-fermi-liquid regimes Phys. Rev. B, 80(23): 235112, 2009. [2] B. I. Kochelaev, S. I. Belov, A. M. Skvortsova, A. S. Kutusov, J. Sichelschmidt, J. Wykhoff, C. Geibel und F. Steglich. Why could electron spin resonance be observed in a heavy fermion kondo lattice? Eur. Phys. J. B, 72(4): 485, 2009.

Neste trabalho estudamos o modelo da rede de Kondo em uma rede kagome, buscando uma maior compreensão dos efeitos da frustração geométrica em sistemas de férmions pesados. Para tanto, fizemos uma aproximação de campo médio no hamiltoniano do sistema que serve para todas as fases do sistema. Analisamos inicialmente o caso não magnético. Obtemos neste limite as energias eletrônicas e as funções de Green necessárias ao cálculo numérico autoconsistente das ocupações e do parâmetro de Kondo. Os resultados encontrados estão em concordância qualitativa com trabalhos publicados em outras geometrias. A seguir analisamos o caso magnético, onde introduzimos uma aproximação suplementar, a qual é compatível com a de campo médio já considerada e, em princípio, existente apenas em sistemas com frustração geométrica. Realizamos cálculos autoconsistentes através de somas sobre as frequências de Matsubara. Os resultados mostram que não há coexistência entre ordem magnética e efeito Kondo, além de haver a supressão do antiferromagnetismo com o aumento de temperatura e variações no preenchimento de bandas. / In this work we study the Kondo Lattice model for the kagome lattice, in order to understand better the effects of geometrical frustration in heavy-fermion systems. In this context, we consider a mean field scheme valid for all the system’s phases. Firstly, we analyzed the nonmagnetic case. In this approximation the electron energies and spectral functions are reachable, then we use the density of states to calculate the occupations selfconsistently. Our results are qualitatively compared with previous works in other geometries. In the second part we introduce an approximation for magnestism, which takes into account the mean field scheme considered and the presence of geometrical frustration. Self-consistent calculations are done through the frequencies summation method. Our results show that the magnetism is supressed when the temperature is increased or the band filling deviates from half-filling. Besides, the coexistence of magnetic order and Kondo effect is not observable.

Neste trabalho estudamos o modelo da rede de Kondo em uma rede kagome, buscando uma maior compreensão dos efeitos da frustração geométrica em sistemas de férmions pesados. Para tanto, fizemos uma aproximação de campo médio no hamiltoniano do sistema que serve para todas as fases do sistema. Analisamos inicialmente o caso não magnético. Obtemos neste limite as energias eletrônicas e as funções de Green necessárias ao cálculo numérico autoconsistente das ocupações e do parâmetro de Kondo. Os resultados encontrados estão em concordância qualitativa com trabalhos publicados em outras geometrias. A seguir analisamos o caso magnético, onde introduzimos uma aproximação suplementar, a qual é compatível com a de campo médio já considerada e, em princípio, existente apenas em sistemas com frustração geométrica. Realizamos cálculos autoconsistentes através de somas sobre as frequências de Matsubara. Os resultados mostram que não há coexistência entre ordem magnética e efeito Kondo, além de haver a supressão do antiferromagnetismo com o aumento de temperatura e variações no preenchimento de bandas. / In this work we study the Kondo Lattice model for the kagome lattice, in order to understand better the effects of geometrical frustration in heavy-fermion systems. In this context, we consider a mean field scheme valid for all the system’s phases. Firstly, we analyzed the nonmagnetic case. In this approximation the electron energies and spectral functions are reachable, then we use the density of states to calculate the occupations selfconsistently. Our results are qualitatively compared with previous works in other geometries. In the second part we introduce an approximation for magnestism, which takes into account the mean field scheme considered and the presence of geometrical frustration. Self-consistent calculations are done through the frequencies summation method. Our results show that the magnetism is supressed when the temperature is increased or the band filling deviates from half-filling. Besides, the coexistence of magnetic order and Kondo effect is not observable.

Neste trabalho estudamos o modelo da rede de Kondo em uma rede kagome, buscando uma maior compreensão dos efeitos da frustração geométrica em sistemas de férmions pesados. Para tanto, fizemos uma aproximação de campo médio no hamiltoniano do sistema que serve para todas as fases do sistema. Analisamos inicialmente o caso não magnético. Obtemos neste limite as energias eletrônicas e as funções de Green necessárias ao cálculo numérico autoconsistente das ocupações e do parâmetro de Kondo. Os resultados encontrados estão em concordância qualitativa com trabalhos publicados em outras geometrias. A seguir analisamos o caso magnético, onde introduzimos uma aproximação suplementar, a qual é compatível com a de campo médio já considerada e, em princípio, existente apenas em sistemas com frustração geométrica. Realizamos cálculos autoconsistentes através de somas sobre as frequências de Matsubara. Os resultados mostram que não há coexistência entre ordem magnética e efeito Kondo, além de haver a supressão do antiferromagnetismo com o aumento de temperatura e variações no preenchimento de bandas. / In this work we study the Kondo Lattice model for the kagome lattice, in order to understand better the effects of geometrical frustration in heavy-fermion systems. In this context, we consider a mean field scheme valid for all the system’s phases. Firstly, we analyzed the nonmagnetic case. In this approximation the electron energies and spectral functions are reachable, then we use the density of states to calculate the occupations selfconsistently. Our results are qualitatively compared with previous works in other geometries. In the second part we introduce an approximation for magnestism, which takes into account the mean field scheme considered and the presence of geometrical frustration. Self-consistent calculations are done through the frequencies summation method. Our results show that the magnetism is supressed when the temperature is increased or the band filling deviates from half-filling. Besides, the coexistence of magnetic order and Kondo effect is not observable.

>Magister Scientiae - MSc / The present study investigates the strength of the hybridization by substituting Ce atom in Kondo lattice CeIn3 with Gd, Tb, and Dy and by changing the chemical environment around the Ce atom in substituting Pt with Ni in CePtSi2. This thesis covers four chapters outline as follows: Chapter 1 introduces the theoretical background in rare earths elements, and an overview of the physics of heavy-fermion and Kondo systems. Chapter 2 presents the experimental details used in this thesis. Chapter 3 report the effect of substituting Ce with moment bearing rare-earth elements RE = Gd, Tb and Dy in CeIn3, through x-ray diffraction (XRD) and electrical resistivity measurements

In dieser Arbeit wird das eindimensionale Kondo-Gitter-Modell untersucht, das die Wechselwirkung eines Gitters lokaler magnetischer Momente mit unkorrelierten Leitungselektronen beschreibt. Mit Hilfe der Methode der kontinuierlichen unitären Transformationen (Flussgleichungen) wird das Modell im Parameterbereich schwacher Wechselwirkungsstärke betrachtet. In diesem Bereich zeigt das Modell so genanntes Luttinger-Flüssigkeitsverhalten. Im Rahmen der Flussgleichungsmethode wird der Hamilton-Operator auf ein effektives Modell abgebildet, in dem Elektronen und Spinmomente vollständig entkoppelt sind. Das Resultat dieses Prozesses ist ein Modell, das ein nichtwechselwirkendes Elektronengas und eine Heisenberg-Spinkette beschreibt. Das Eigenwertproblem der Heisenberg-Kette wird im Rahmen einer Schwinger-Boson-Molekularfeld-Theorie beschrieben. Zur Charakterisierung der Grundzustandseigenschaften des eindimensionalen Kondo-Gitter-Modells wurden verschiedene Erwartungswerte und Korrelationsfunktionen betrachtet. Neben statischen Größen, wie der Ladungskorrelationsfunktion der Elektronen oder der Spinkorrelationsfunktion der lokalen Spinmomente, werden dynamische Größen, wie die elektronische Zustandsdichte oder die dynamischen Spinstrukturfaktoren der Elektronen und der lokalen Spinmomente, berechnet. / The one-dimensional Kondo lattice model is investigated. This model describes the interaction between a lattice of local magnetic moments and uncorrelated conduction electrons. It is studied by means of the continuous unitary transformation's method (flow equations) within the parameter regime of weak interaction strength. Here the model shows so called Luttinger liquid behaviour. Within the framework of the flow equation's method the original Hamiltonian is mapped on an effective model, where electrons and local moments are completely decoupled. The result of this process is a model describing a non-interacting electron gas and a Heisenberg spin chain. The eigenvalue problem of the Heisenberg chain is described within a Schwinger bosons molecular field theory. In order to characterise the ground state properties of the one-dimensional Kondo lattice model different expectation values and correlation functions are investigated. Beside static properties like the charge correlation function of the electrons or the local moment's spin correlation function, dynamic properties are determined, like the electronic density of states or the dynamic spin structure factor of both the electrons and the local moments.