Microfabricated solid-state surfaces, also called atom chip', have become a well-established technique to trap and manipulate atoms. This has simplified applications in atom interferometry, quantum information processing, and studies of many-body systems. Magnetic trapping potentials with arbitrary geommetries are generated with atom chip by miniaturized current-carrying conductors integrated on a solid substrate. Atoms can be trapped and cooled to microKelvin and even nanoKelvin temperatures in such microchip trap. However, cold atoms can be significantly perturbed by the chip surface, typically held at room temperature. The magnetic field fluctuations generated by thermal currents in the chip elements may induce spin flips of atoms and result in loss, heating and decoherence. In this thesis, we extend previous work on spin flip rates induced by magnetic noise and consider the more complex geometries that are typically encountered in atom chips: layered structures and metallic wires of finite cross-section. We also discuss a few aspects of atom chips traps built with superconducting structures that have been suggested as a means to suppress magnetic field fluctuations. The thesis describes calculations of spin flip rates based on magnetic Green functions that are computed analytically and numerically. For a chip with a top metallic layer, the magnetic noise depends essentially on the thickness of that layer, as long as the layers below have a much smaller conductivity. Based on this result, scaling laws for loss rates above a thin metallic layer are derived. A good agreement with experiments is obtained in the regime where the atom-surface distance is comparable to the skin depth of metal. Since in the experiments, metallic layers are always etched to separate wires carrying different currents, the impact of the finite lateral wire size on the magnetic noise has been taken into account. The local spectrum of the magnetic field near a metallic microstructure has been investigated numerically with the help of boundary integral equations. The magnetic noise significantly depends on polarizations above flat wires with finite lateral width, in stark contrast to an infinitely wide wire. Correlations between multiple wires are also taken into account. In the last part, superconducting atom chips are considered. Magnetic traps generated by superconducting wires in the Meissner state and the mixed state are studied analytically by a conformal mapping method and also numerically. The properties of the traps created by superconducting wires are investigated and compared to normal conducting wires: they behave qualitatively quite similar and open a route to further trap miniaturization, due to the advantage of low magnetic noise. We discuss critical currents and fields for several geometries. / Mikrotechnologische Oberflächen, sogenannte Atomchips, sind eine etablierte Methode zum Speichern und Manipulieren von Atomen geworden. Das hat Anwendungen in der Atom-Interferometrie, Quanteninformationsverarbeitung und Vielteilchensystemen vereinfacht. Magnetische Fallenpotentiale mit beliebigen Geometrien werden durch Atomchips mit miniaturisierten stromführenden Leiterbahnen auf einer Festkörperunterlage realisiert. Atome können bei Temperaturen im $mu$ K oder sogar nK-Bereich in einer solchen Falle gespeichert und gekühlt werden. Allerdings können kalte Atome signifikant durch die Chip-Oberfläche gestört werden, die sich typischerweise auf Raumtemperatur befindet. Die durch thermische Ströme im Chip erzeugten magnetischen Feldfluktuationen können Spin-Flips der Atome induzieren und Verlust, Erwärmung und Dekohärenz zur Folge haben. In dieser Dissertation erweitern wir frühere Arbeiten über durch magnetisches Rauschen induzierte Spin-Flip-Ratenund betrachten kompliziertere Geometrien, wie sie typischerweise auf einem Atom-Chip anzutreffen sind: Geschichtete Strukturen und metallische Leitungen mit endlichem Querschnitt. Wir diskutieren auch einige Aspekte von Aomchips aus Supraleitenden Strukturen die als Mittel zur Unterdrückung magnetischer Feldfluktuationen vorgeschlagen wurden. Die Arbeit beschreibt analytische und numerische Rechnungen von Spin-Flip Raten auf Grundlage magnetischer Greensfunktionen. Für einen Chip mit einem metallischen Top-Layer hängt das magnetische Rauschen hauptsächlich von der Dicke des Layers ab, solange die unteren Layer eine deutlich kleinere Leitfähigkeit haben. Auf Grundlage dieses Ergebnisses werden Skalengesetze für Verlustraten über einem dünnen metallischen Leiter hergeleitet. Eine gute Übereinstimmung mit Experimenten wird in dem Bereich erreicht, wo der Abstand zwischen Atom und Oberfläche in der Größenordnung der Eindringtiefe des Metalls ist. Da in Experimenten metallische Layer immer geätzt werden, um verschiedene stromleitende Bahnen vonenander zu trennen, wurde der Einfluß eines endlichen Querschnittsauf das magnetische Rauschen berücksichtigt. Das lokale Spektrum des magnetischen Feldes in der Nähe einer metallischen Mikrostruktur wurde mit Hilfe von Randintegralen numerisch untersucht. Das magnetische Rauschen hängt signifikant von der Polarisierung über flachen Leiterbahnen mit endlichem Querschnitt ab, im Unterschied zu einem unendlich breiten Leiter. Es wurden auch Korrelationen zwischen mehreren Leitern berücksichtigt. Im letzten Teil werden supraleitende Atomchips betrachtet. Magnetische Fallen, die von supraleitenden Bahnen im Meissner Zustand und im gemischten Zustand sind werden analytisch durch die Methode der konformen Abbildung und numerisch untersucht. Die Eigenschaften der durch supraleitende Bahnen erzeugten Fallen werden erforscht und mit normal leitenden verglichen: Sie verhalten sich qualitativ sehr ähnlich und öffnen einen Weg zur weiteren Miniaturisierung von Fallen, wegen dem Vorteil von geringem magnetischem Rauschen. Wir diskutieren kritische Ströme und Felder für einige Geometrien.

This thesis presents the theoretical studies of chiral magnetic structures, which exist or are affected by antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya interactions. The theoretical approach is based on the phenomenological model of ferromagnetic materials lacking inversion symmetry. Equilibrium magnetic states are described as static structures in the micromagnetic low temperature limit with a fixed magnitude of the magnetization. The studies are focused on two cases: (i) magnetization structures that are affected by chiral exchange so that a particular chirality of these structures is selected, and (ii) novel solitonic states that are called chiral Skyrmions and only exist because of the chiral exchange. Vortex states in magnetic nanodisks provide the simplest example of a handed magnetization structure, where effects of the chiral couplings may become noticeable. A chiral exchange here favours one chirality of such a vortex state over the other. This effect can stem from surface-induced or other defect-related chiral Dzyaloshinskii-Moriya exchange. The different chiral versions of the vortex states are shown to display strong dependencies on the materials properties of such nanodisks. Within a micromagnetic model for these effects, numerical calculations of the shape, size, and stability of the vortices in equilibrium as functions of magnetic field and the material and geometrical parameters provide a general analysis of the influence of the broken mirror symmetry caused by the surface/interfaces or structural defect on their properties. The Dzyaloshinskii-Moriya interactions impose differences in the energies and sizes of vortices with different chirality: these couplings can considerably increase sizes of vortices with one sense of rotation and suppress vortices with opposite sense of rotation. Torsions related to lattice defects can cause similar to the surface-induced chiral couplings. A general phenomenological magneto-elastic formulation for this torsional chirality selection is given. It is applied to calculate similar effects on vortex states in magnetic disks with a screw dislocation at their center. In systems with strong chiral exchange the magnetic equilibrium states themselves become chiral twisted structures. The most interesting structures in this context are the two-dimensional solitonic states that are now known as chiral Skyrmions. The properties and stability of multiply twisted states composed of these particle-like units are the subject of the second part of this thesis. These states compete with the well known onedimensionally modulated helical states in non-centrosymmetric magnetic systems. Studies of modulated states in cubic helimagnets have shown, that in absence of additional effects, the only thermodynamically stable state is a cone helix. Uniaxial distortions, that can be caused by uniaxial stresses in the bulk samples or arise due to surface effects in thin films, suppress the helical states and stabilize Skyrmion lattices in a broad range of thermodynamical parameters. Using the phenomenological theory for modulated and localized states in chiral magnets, the equilibrium parameters of the Skyrmion and helical states have been derived as functions of applied magnetic field and induced uniaxial anisotropy. These results show that due to a combined effect of induced uniaxial anisotropy and an applied magnetic field, Skyrmion lattices can be formed as thermodynamically stable states. The theoretical results provide a comprehensive description of the evolution of modulated states in an applied magnetic field depending on type of anisotropy. The cases of a uniaxial anisotropy of easy axis and easy plane type with fields applied along its axis are investigated in detail. Existence of Skyrmion-lattice states in the easy axis case as thermodynamic field-induced phase is demonstrated. The results explain recent observation of Skyrmion lattices by magnetic Lorentz microscopy in thin foils of cubic chiral magnets. In systems with easy plane type of anisotropy, Skyrmion states do not form thermodynamic phases in applied fields along the axis. However, distorted Skyrmion phases can exist in fields applied perpendicularly to the axis. In this configuration of anisotropy axis and fields, both the helical states and the Skyrmions display elliptical distortions. The investigated micromagnetic model maps out the basic helical and Skyrmionic states expected to exist in cubic and nearly cubic chiral magnets.

Rare-earth nickel borocarbids RNi2B2C are particularly suitable for investigations on one of the most interesting problems in modern solid-state physics: these compounds display competition and coexistence of superconductivity and magnetism. Depending on the R3+ ion, the transition temperatures are in an experimentally easy accessible range of 1 K to 25 K. This thesis presents experimental studies on the interplay of both ordering phenomena. Neutron diffraction is used to determine the magnetic order and the resulting changes of the crystal structure. Experiments are performed on polycrystalline and single crystal samples in dependence on temperature and external magnetic fields. The Ni-B stoichiometry of the tetragonal RNi2B2C compounds is systematically varied and the magnetic R3+ ions are partially substituted by other magnetic or nonmagnetic R?3+ ions. The experimental results are compared with macroscopic magnetic and electrical properties. For HoNi2B2C three different magnetic structures are found in a narrow temperature range. While for two magnetic structures the Ho3+ moments are modulated along the c axis, a third magnetic structure with a modulation in a direction is observed. Both, partial substitution of Ho3+ ions and variation of the Ni-B stoichiometry, strongly modify the formation of these different types of magnetic order. The comparison with the concomitant changes of the superconducting properties yields the following scenario for HoNi2B2C-based compounds: superconductivity coexists with both magnetic structures with modulations in c direction. However, the onset of magnetic order weakens the superconductivity. For the magnetic structure with modulation along the a axis, components of the magnetic moments arise in c direction. The resulting local magnetic fields on Ni sites yield a strong suppression of the superconductivity. The observed competition between superconductivity and the magnetic structure with modulation along the a axis strongly suggests that the modification of the electronic structure due to the superconducting state influences the magnetic ordering. As a further impact of the magnetism in RNi2B2C compounds with R = Ho, Dy, Tb and Er changes of the crystal structure are investigated. Using high-resolution neutron diffraction, tetragonal-to-orthorhombic lattice distortions are found. They are induced by those magnetic structures with either parallel or anti-parallel alignement of R3+ magnetic moments. The direction of the lattice distortions, the dependence of their size on the square of the effective ordered magnetic moment and on the type of the R3+ ions indicate that the magneto-elastic interactions are determined by crystal-field effects. This fact also facilitates the elucidation of the magnetic phase diagrams by neutron diffraction experiments in external magnetic fields. For a given phase, absence or presence of magneto-elastic lattice distortions restrict the set of possible magnetic structures. For HoNi2B2C the magnetic phases reported in literature are confirmed. The experimental results for DyNi2B2C are interpreted using a simple model to determine the magnetic structures. Based on mean field calculations, the differences in the magnetic structures for increasing and decreasing magnetic fields can be understood as very strong hysteresis effects in connection with first-order phase transitions. / Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Verbindungen RNi2B2C sind bestens zur Untersuchung eines der interessantesten Probleme der modernen Festkörperphysik geeignet: Diese Substanzen weisen Konkurrenz und Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus auf, wobei die vom R3+-Ion abhängigen Übergangstemperaturen in einem experimentell gut zugänglichen Bereich von 1 K bis 25 K liegen. Die vorliegende Dissertation stellt experimentelle Arbeiten zum Wechselspiel der beiden Ordnungsphänomene vor. Für poly- und einkristalline Proben werden die magnetischen Ordnungen und resultierende Veränderungen der Kristallstruktur mittels Neutronendiffraktion in Abhängigkeit von der Temperatur und vom äußeren Magnetfeld bestimmt und mit den makroskopischen magnetischen und elektrischen Eigenschaften verglichen. Hierbei werden die tetragonalen RNi2B2C-Verbindungen gezielt in ihrer Ni-B-Stöchiometrie variiert sowie die magnetischen R3+-Ionen partiell durch andere magnetische als auch unmagnetische R?3+-Ionen substituiert. Für HoNi2B2C werden in einem engen Temperaturbereich drei verschiedene magnetische Strukturen nachgewiesen. Während in zwei magnetischen Ordnungen die Ho3+-Momente entlang der c-Achse moduliert sind, wird für die dritte magnetische Ordnung eine Modulation in a-Richtung beobachtet. Sowohl durch die partielle Substitution der Ho3+-Ionen als auch durch die Ni-B-Stöchiometrievariation wird die Ausprägung der magnetischen Strukturen stark modifiziert. Der Vergleich mit den ebenfalls veränderten supraleitenden Eigenschaften ergibt das folgende Bild für die HoNi2B2C-Verbindungen: Die Supraleitung koexistiert mit den beiden c-Achsen-modulierten magnetischen Strukturen, das Einsetzen der magnetischen Ordnung führt jedoch zu einer Schwächung der Supraleitung. Die a-Achsen-modulierte magnetische Struktur weist Momentkomponenten in c-Richtung auf, die auf Grund der resultierenden lokalen Magnetfelder an den Ni-Plätzen eine starke Unterdrückung der Supraleitung bewirken. Die beobachtete Konkurrenz zwischen der Supraleitung und der a-Achsen-modulierten magnetischen Struktur gibt andererseits einen starken Hinweis darauf, daß die Modifizierung der elektronischen Struktur im supraleitenden Zustand auf das magnetische System rückwirkt. Als weitere Auswirkung des Magnetismus kommt es in RNi2B2C-Verbindungen mit R = Ho, Dy, Tb und Er zu Veränderungen der Kristallstruktur. Mittels hochauflösender Neutronendiffraktion werden magnetisch induzierte, tetragonal-zu-orthorhombische Gitterverzerrungen für diejenigen magnetischen Ordnungen nachgewiesen, bei denen die magnetischen Momente der R3+-Ionen parallel bzw. antiparallel ausgerichtet sind. Die Richtung der Gitterverzerrung, die Abhängigkeit ihrer Größe vom Quadrat des geordneten magnetischen Momentes als auch von der Art der R3+-Ionen deuten darauf hin, daß die magneto-elastischen Wechselwirkungen durch Kristallfeldeffekte bestimmt werden. Diese Einsicht unterstützt auch die Aufklärung der magnetischen Phasendiagramme mittels magnetfeldabhängiger Neutronenbeugungsexperimente. Für eine magnetische Phase schränkt das Auftreten bzw. Fehlen der magneto-elastischen Effekte die Vielfalt der möglichen magnetischen Strukturen ein. Die aus der Literatur bekannten magnetischen Phasen von HoNi2B2C werden bestätigt. Für DyNi2B2C werden die experimentellen Ergebnisse unter Nutzung eines einfachen Modelles interpretiert und die magnetischen Strukturen bestimmt. Anhand von Molekularfeldrechnungen können die Unterschiede in den magnetischen Strukturen für ansteigendes und für abnehmendes Magnetfeld als sehr starke Hystereseeffekte in Zusammenhang mit Phasenübergängen erster Ordnung gedeutet werden.

In dieser Arbeit wurden mit der gepulsten Laserdeposition Nd-Fe-B-Schichten abgeschieden. Diese Schichten wurden auf einem geheizten Substrat deponiert und reagierten zu der hart-magnetischen Nd2Fe14B-Phase. Eine weitere Phase in den Schichten ist Neodym aufgrund der überstöchiometrischen Abscheidung von Neodym zur Unterstützung der Phasenbildung von Nd2Fe14B und zur Entkoppelung der Nd2Fe14B-Körner. Für die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Schichten sind die Grenzflächen zum Substrat und zur Umgebung von entscheidender Bedeutung, da sich die überwiegende Anzahl der Körner im Kontakt mit zumindest einer der beiden Grenzflächen befindet. Aus diesem Grund stand die Untersuchung des Einflusses der Grenzflächen auf das Wachstum, die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Nd-Fe-B-Schichten im Mittelpunkt der Arbeit. Die Nd-Fe-B-Schichten wurden sowohl auf Chrom- als auch auf Tantalbuffern deponiert. Ein Buffer wurde zur Einstellung der Mikrostruktur und zum Schutz der Nd-Fe-B-Schicht vor Diffusion und Reaktionen mit den Elementen des Substrates benutzt. Die Untersuchungen zeigten, dass der Chrombuffer diese Bedingungen nur unzureichend erfüllt. Die Schichten, die auf dem Tantalbuffer deponiert wurden wachsen bei tiefen Depositionstemperaturen als zusammenhängende Schicht auf und zeigen eine magnetische Vorzugsorientierung mit der magnetisch leichten Richtung parallel zur Substratnormalen. Mit steigender Depositionstemperatur verbessert sich die Ausprägung der magnetischen Vorzugsorientierung bis die vollständige Ausrichtung aller magnetischen Momente parallel zur Substratnormale erreicht ist. Die Topologie dieser Schichten weist einzeln stehende Nd2Fe14B-Körner auf, was durch ein nicht benetzendes Verhalten von Nd2Fe14B auf Tantal erklärt wird. An Schichten, die bei Depositionstemperaturen um 630 °C auf dem Tantalbuffer abgeschieden wurden, konnte das epitaktische Wachstum von Nd2Fe14B nachgewiesen werden. Auch diese Schichten zeigen die Mikrostruktur der isoliert voneinander stehenden Körner. Obwohl die Korngröße dieser Körner etwa 2 µm beträgt, zeigen diese Schichten ein Koerzitivfeld von bis zu 2 T. Diese hohen Werte des Koerzitivfeldes werden durch die Vermeidung des Einbaus von Defekten in den Körnern erreicht. Zusammenfassend können diese Schichten als mikrometergroße und parallel zueinander angeordnete Einkristalle beschrieben werden. Aus diesem Grund konnten mit diesen Schichten Einkristallmessungen wie die Temperaturabhängigkeit der Sättigungspolarisation und des Spinreorientierungswinkels reproduziert werden. Aufgrund des epitaktischen Wachstums von Nd2Fe14B auf Tantal(110) konnte auch auf amorphen Substraten hochremanente und hochkoerzitive Schichten abgeschieden werden. Dafür wird ausgenutzt, dass der Tantalbuffer auch auf einem amorphen Substrat aufgrund der Wachstumauslese texturiert aufwächst und auf den einzelnen Körnern des texturierten Tantalbuffers die Nd2Fe14B-Körner lokal epitaktisch nukleieren können. Die Nd2Fe14B-Körner dieser Schichten sind nicht isoliert voneinander, sondern zeigen eine zusammenhängende Topologie. Diese Schichten besitzen ein Koerzitivfeld von etwa 1,3 T. Da Nd2Fe14B eine leicht oxidierende Phase ist, müssen die Nd-Fe-B-Schichten vor Korrosion geschützt werden. So wurde gezeigt, dass das Koerzitivfeld bei an Luft gelagerten Schichten innerhalb von einer Woche auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes abfällt. Dieser Abfall konnte durch Defekte bzw. weichmagnetische Phasen als Ergebnis der Oxidation an den Oberflächen der Nd2Fe14B-Körnern erklärt werden. Die Verhinderung der Oxidation und damit der Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften konnte sehr effektiv, d.h. ohne eine messbare Veränderung der magnetischen Eigenschaften über einen Zeitraum von 6 Monaten; durch die Abscheidung einer Chromdeckschicht erreicht werden.

Magnetismus ist ein Phänomen, das eine wichtige Rolle in einer Vielfalt technischer Anwendungen spielt. Ohne den Einsatz magnetischer Effekte und Materialen wäre der heutzutage erreichte technische Fortschritt unmöglich, da viele grundlegende Techniken wie Stromerzeugung, elektrischer Antrieb, Informationsübertragung und viele andere auf magnetische bzw. elektromagnetische Phänomene zurückzuführen sind. Dabei haben die ferromagnetischen Materialen stets zur Effizienz von elektrischen und elektronischen Anwendungen beigetragen, weswegen an diesen Materialen auch entsprechend viel geforscht worden ist. Moderne Technologien, insb. Massenspeicher basieren oft auf Ferromagneten und erfordern daher die weitere Erforschung und Anpassung ihrer Eigenschaften. Für die Funktionalität von Hochgeschwindigkeitsgeräten spielt das dynamische Verhalten dünner magnetischer Schichten eine kritische Rolle. In dieser Arbeit wird die Magnetisierungsdynamik dünner Schichtelemente mittels zeitaufgelöster Weitfeld- Kerrmikroskopie untersucht. Dies ist ein aktuelles Thema, an dem in den letzten Jahren sehr intensiv gearbeitet wird. Allerdings sind viele für die Anwendungen sehr wichtige Details des magnetischen Schaltens wegen ihre Vielfältigkeit und Komplexität doch nicht vollständig untersucht und verstanden. In dieser Arbeit werden überwiegend experimentelle Ergebnisse vorgestellt, die einen zusätzlichen Beitrag zum aktuellen Wissenstand leisten. In einem ferromagnetischen Körper bilden sich Bereiche mit spontaner Magnetisierung, die man als Domänen bezeichnet. Die spontane Magnetisierung entsteht aufgrund der Spin-Spin Wechselwirkung, und die Domänen bilden sich aufgrund der Energieminimierung des magnetisierten Körpers. Langsame Magnetisierungsprozesse werden im Wesentlichen getragen von Domänenumordnungen und Domänengrenzenverschiebungen. Solche Prozesse bezeichnet man als quasistatisch, da sich der Körper durch deren Langsamkeit immer im Gleichgewicht oder zumindest sehr nahe daran befindet. Mit zunehmender Anregungsgeschwindigkeit gilt diese Annahme nicht mehr, da die Präzessionsbewegung der magnetischen Momente das Schaltverhalten in diesem Fall definiert. Die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik setzt die Möglichkeit voraus, nicht-unterbrochene Prozesse beobachten zu können. Dieses Ziel kann mittels stroboskopischer Abbildung erreicht werden. Dabei wird derselbe Prozess kontinuierlich wiederholt (vorausgesetzt, dass die Prozesse sich reproduzierbar wiederholen lassen), und zu definierten Zeitpunkten werden die entsprechenden Kerraufnahmen gemacht. Dafür wird eine CCD Kamera mit einem Photoverstärker benutzt, welcher als optischer Schalter fungiert. Die Zeitauflösung dieses Systems und damit auch das Vermögen, die Hochfrequenzvorgänge abzubilden, beträgt 250 ps. Die Eigenschaften des magnetischen Umschaltens hängen stark von der Elementgeometrie ab. Diese Unterschiede sind auf unterschiedliche Entmagnetisierungsfaktoren, und damit auf Unterschiede in den effektiven Feldern zurückzuführen. Solche Unterschiede werden auf zwei Weisen initiiert: ein quadratisches Element wird entlang unterschiedlicher Richtungen (entlang der Seite und der Diagonalen) angeregt; die Form des Elementes wird zwischen Quadrat und Rechteck mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen variiert. Die beobachteten Schaltvorgänge werden miteinander verglichen und die Ergebnisse dargestellt. Dabei werden auch die dynamischen Vorgänge immer mit den quasistatischen verglichen. Aus dem Vergleich folgt, dass ein steigendes Seitenverhältnis zur geringeren Schaltgeschwindigkeit führt, und dass die dabei entstehenden Domänen zunehmend komplexer werden. Dabei gibt es wesentliche Unterschiede zwischen den dynamischen und quasistatischen Domänen, vor allem in der Domänenwandstruktur. Das Schalten an sich unterscheidet sich auch sehr stark. Quasistatisches Schalten erfolgt überwiegend durch Domänenwandbewegung, während das dynamische Schalten durch inkohärente Rotation der Magnetisierung im ganzen Element erfolgt. Das Hochfrequenzverhalten am Prototypen eines Mikroinduktors wird untersucht. Der Induktor besteht aus vielen magnetischen Elementen, die eine induzierte uniaxiale Anisotropie besitzen. Diese ist bei der Hälfte der Elemente entlang des Magnetfeldes, und bei der anderen Hälfte senkrecht zum Magnetfeld der Spule ausgerichtet. Das dynamische Verhalten der beiden Elementtypen unterscheidet sich stark, vor allem die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit. Diese Unterschiede können zu einer Phasenverschiebung im elektrischen Signal führen, was die Effizienz des Induktors senkt. Durch die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik in Wechselfeldern unterschiedlicher Frequenz ist auch festgestellt worden, dass bis 100 MHz die Magnetisierungsvorgänge überwiegend durch Domänenwandbewegung erfolgen, während ab 200 MHz- Rotationsprozesse stattfinden.

In der vorliegenden Arbeit werden die Zusammenhänge zwischen der magnetischen Mikrostruktur und der Ausrichtung der Kristallite, sowohl in Sintermagneten als auch in feinkristallinen, warmumgeformten Magneten auf Nd2Fe14B- und Pr2Fe14B-Basis, untersucht. Die EBSD-Technik (electron backscatter diffraction) wurde für Sintermagnete und für feinkristalline, warmumgeformte Magnete auf Nd2Fe14B-Basis erstmals erfolgreich eingesetzt, um eine quantitative Texturanalyse durchzuführen. Die Polfiguren des hoch texturierten Sintermagneten bzw. warmumgeformten Magneten zeigen eine stark ausgeprägte [001] Fasertextur. Aus dem Vergleich von REM-, EBSD- und Kerr-Untersuchungen an ein- und derselben Probenoberfläche der Sintermagnete konnte quantitativ gezeigt werden, wie die Domänenstruktur von der individuellen Orientierung der Nd2Fe14B-Körner abhängt. Die Domänenstruktur der hoch texturierten Sintermagnete weist auf eine starke magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Kristalliten hin. In den Heißpresslingen und in den warmumgeformten Magneten auf Nd2Fe14B-Basis und Pr2Fe14B-Basis wurden Wechselwirkungsdomänen mittels Magnetkraftmikroskopie nachgewiesen. Die Wechselwirkungsdomänen, deren Größe stark vom Umformgrad abhängt, sind immer größer als die einzelnen Kristallite. Die Bildung der Wechselwirkungsdomänen wurde auf magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Kristalliten zurückgeführt, was mit Hilfe der Wohlfarth-Analyse der Remanenzverhältnisse bestätigt werden konnte. Die magnetische Mikrostruktur der warmumgeformten Magnete wurde mit einem Modell, das auf der Bildung von Ketten magnetischer Momente (parallel zur Kettenachse) beruht, beschrieben. Unterhalb der Temperatur des Spinumorientierungsüberganges der Nd2Fe14B-Phase weisen die Sintermagnete rechteckige Domänenmuster auf. Diese magnetische Mikrostruktur wird durch eine spezifische Verteilung der Domänenwände in Bezug auf Änderungen der magnetischen Anisotropie ausgebildet. Im Gegensatz dazu ändern sich die Wechselwirkungsdomänen in dem warmumgeformten Magneten nicht, was auf die starke magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Kristalliten zurückgeführt wurde. / In this work, the correlation between magnetic domain structure and grain alignment in sintered and die-upset magnets, based on Nd2Fe14B and Pr2Fe14B compounds, is investigated. For the first time, EBSD (electron backscatter diffraction) has been successfully applied to conduct a quantitative analysis of the texture of sintered and die-upset Nd2Fe14B magnets. Pole figures of the highly textured sintered and die-upset magnets show a strong [001] fiber texture. By a comparison of SEM, EBSD and Kerr images of the same surface of sintered magnets it was possible to correlate the domain structure of individual grains to their orientation. The domain structure of the highly textured sintered magnet indicates to the presence of a strong magnetostatic interaction between individual grains. Interaction domains have been studied in hot-pressed und die-upset magnets based on Nd2Fe14B and Pr2Fe14B compounds by MFM. The lateral expansion of interaction domains is always larger than grain size and depends from the degree of deformation. The formation of interaction domains is attributed to magnetostatic interaction between individual grains, which has been confirmed by a Wohlfarth’s analysis of the remanence ratio. The magnetic domain structure of die-upset magnets can be described by a model, based on the formation of chains of magnetic moments parallel to the chain direction. Below the spinreorientation temperature of the Nd2Fe14B phase, sintered magnets show a rectangular domain structure. This domain structure is formed by a specific domain wall distribution corresponding to changes of the magnetocrystalline anisotropy. In contrast to this, the interaction domains in the die-upset magnets show no changes below the spinreorientation temperature, what can be also ascribed to the magnetostatic interaction between individual grains.

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In ungeordneten Fe70Pd30-Strukturen ermöglicht eine martensitische Umwandlung den magnetischen Formgedächtniseffekt, der in Aktoren genutzt werden kann. Der inverse Effekt kann für hochempfindliche Dehnungsmessungen verwendet werden. Eine Miniaturisierung zu Schichten ermöglicht Anwendungen in mikro- und nanoelektromechanischen Systemen. Ziel dieser Arbeit ist es, die magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Struktur zu bestimmen und die gewünschte Kombination aus beiden auf dickere Schichten zu übertragen. In Kapitel 2 werden die strukturellen Aspekte im Fe-Pd-System und die Besonderheiten des Wachstums dünner Schichten betrachtet. In Kapitel 3 werden die Schichtherstellung mittels Kathodenzerstäubung und die verschiedenen Charakterisierungsmethoden kurz vorgestellt. Kapitel 4 zeigt den Einfluss durch verschiedene Zwischenschichten mit unterschiedlichen Gitterparametern auf die Kristall- und Elektronenstruktur sowie auf die magnetischen Eigenschaften von dünnen, epitaktischen Fe-Pd-Cu-Schichten. Untersuchungen zur kritischen Schichtdicke und Relaxationsmechanismen stehen in Kapitel 5 im Vordergrund. In Kapitel 6 wird die kombinatorische Schichtherstellung vorgestellt, die eine systematische Variation von Struktur und Zusammensetzung für eine praxisnahe Anwendung erlaubt. Außerdem werden Ergebnisse zu freien Schichten gezeigt und der Einfluss des Ablösens auf Morphologie und Struktur diskutiert.

In this PhD research the liquid-liquid phase separation phenomena in Gd-based alloys was investigated in terms of phase equilibria, microstructure formation upon quenching the melt and corresponding magnetic properties of phase-separated metallic glasses. The phase diagrams of the binary subsystems Gd-Zr and Gd-Ti were experimentally reassessed. Especially the phase equilibria with the liquid phase could be determined directly by combining in situ high energy synchrotron X-ray diffraction with electrostatic levitation of the melt. The Gd-Zr system is of eutectic type with a metastable miscibility gap. The eutectic composition at 18 ± 2 at.% Zr, the liquidus line and the coexistence of bcc-Zr and bcc-Gd at elevated temperature could be determined. The Gd-Ti system is a monotectic system. The experimental observations in this work led to improved new Gd-Zr and Gd-Ti phase diagrams. The phase equilibria of the ternary Gd-Ti-Co system were analyzed for two alloy compositions. The XRD patterns for molten Gd35Ti35Co30 gave direct evidence for the coexistence of two liquid phases formed by liquid-liquid phase separation. The first experimental and thermodynamic assessment of the ternary Gd–Ti–Co system revealed that the stable miscibility gap of binary Gd–Ti extends into the ternary Gd–Ti–Co system (up to about 30 at.% Co). New phase-separated metallic glasses were synthesized in Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti or Zr) alloys. The microstructure was characterized in terms of composition and cooling rate dependence of phase separation. Due to large positive enthalpy of mixing between Gd on the one side and Hf, Ti or Zr on the other side, the alloys undergo liquid-liquid phase separation during rapid quenching the melt. The parameters determining the microstructure development during phase separation are the thermodynamic properties of the liquid phase, kinetic parameters and quenching conditions. By controlling these parameters and conditions the microstructure can be tailored both at microscopic and macroscopic length scales. This includes either droplet-like or interconnected microstructures at the microscopic level and glass-glass or glass-crystalline composites at the macroscopic level. Essential parameter for the quenched in microstructure is the temperature dependence of liquid-liquid phase separation, which is determined by the chemical composition of the alloy: on the one hand, earlier and/or later stages of spinodal decomposition or almost homogeneous glassy states are obtained if the critical temperature of miscibility gap Tc is close to the glass transition temperature Tg; and on the one hand, coarsening and secondary precipitations of the liquids are obtained if Tc is much higher than Tg. Finally, the influence of the microstructure developed by phase separation on their magnetic properties had been investigated. The saturation magnetization σS depends on the overall amount of Gd atoms in the alloys and is not remarkably affected by phase separation processes. The Curie temperature TCurie of the magnetic transition is influenced by the changed chemical composition of the Gd-rich glassy phases compared to that of monolithic Gd-Co-Al glasses. / In dieser Doktorarbeit wurde die flüssig-flüssig Phasenentmischung von Gd-basierten Legierungen hinsichtlich der Phasengleichgewichte, der Gefügeentwicklung während der Schmelzabschreckung und dazugehöriger magnetischer Eigenschaften, untersucht. Die Zustandsdiagramme der binären Untersysteme Gd-Zr undGd-Ti wurden experimentell ermittelt.. Insbesondere konnten die Phasengleichgewichte mit der flüssigen Phase mittels in-situ Röntgenbeugungsmessunngen an elektrostatisch levitierten Schmelzen direkt, bestimmt werden. Das Gd-Zr System stellt ein ein eutektisches Phasendiagram dar und besitzt eine metastabile Mischungslücke. Die eutektische Zusammensetzung wurde mit 18 ± 2 at.%Zr bestimmt und der Verlauf der Liquiduslinie bei erhöhten Temperaturen wurde experimentell ermittelt. Experimentell wurde die Koexistenz von kubisch-raumzentrierten Zr und Gd in einem Bereich bei hohen Temperaturen nachgewiesen. Das Gd-Ti-System ist von monotektischer Art. Die experimentellen Beobachtungen dieser Arbeit trugen wesentlich zur Verbesserung der Beschreibung der Phasendiagaramme Gd-Zr- und Gd-Ti-Phasenbei. Die Phasengleichgewichte des ternären Gd-Ti-Co-Systems wurde anhand zweier Legierungszusammensetzungen untersucht. Die Röntgenbeugungsdiffraktogramme der geschmolzenen Legiereung Gd35Ti35Co30 sind ein direkter Beleg für die Koexistenz zweier flüssiger Phasen, aufgrund der flüssig-flüssig Phasenentmischung. Die erste experimentelle und thermodynamische Auswertung des ternären Gd-Ti-Co-Systems zeigt, dass sich die stabile Mischungslücke des binären Gd-Ti-Systems ins ternäre Gd-Ti-Co-System bis zu ungefähr 30 at.% Co erstreckt. Es wurden neue Gd-TM-Co-Al (TM = Hf, Ti oder Zr)-basierte metallische Gläser, die separierte Phasen besitzen, hergestellt. Ihr Gefüge wurden hinsichtlich Zusammensetzung- und Abkühlratenabhängigkeit der Phasenentmischung charakterisiert. Aufgrund der großen positiven Mischungsenthalpie zwischen Gd auf der einen und Hf, Ti oder Zr auf der anderen Seite, weisen diese Legierungen eine flüssig-flüssig Phasenentmischung während der Abschreckung aus der Schmelze auf. Die Einflussgrößen, die die Gefügeentwicklung während der Phasenentmischung bestimmen, sind die thermodynamischen Eigenschaften der flüssigen Phase, die kinetische Parameter und die Abschreckbedingungen. Indem diese Parameter und Bedingungen kontrolliert werden, kann das Gefüge auf makro- sowie mikroskopischer Längenskala maßgeschneidert werden. Dies beinhaltet entweder tropfenförmige oder miteinander verbundene Gefüge auf einer mikroskopischen Skala und Glas-Glas oder Glas-Kristall Komposite auf einer makroskopischen Längenskala. Ein wesentlicher Parameter für das abgeschreckte Gefüge ist die Temperatur-Abhängigkeit der flüssig-flüssig Phasenentmischung, die durch die chemische Zusammensetzung der Legierung bestimmt wird. Frühere und/oder spätere Stadien der spinodalen Entmischung oder nahezu homogene amorphe Zustände können abhängig von dem Temperaturunterschied zwischen kritischer Temperatur der flüssig-flüssig Phasenentmischung und der Glasübergangstemperatur erhalten werden. Wenn die kritische Temperatur der Mischungslücke, Tc, viel höher ist als die des Glasübergangs, Tg, können makroskopische Vergröberungen der tropfenförmigen Verteilung der flüssigen Phase und sekundäre flüssige oder kristalline Ausscheidungen in den gebildeten amorphen Phasen erhalten werden. Durch die Phasenentmischung und die erhaltenen heterogenen Gefüge werden die magnetischen Eigenschaften beeinflusst.. Die Sättigungsmagnetisierung,σS, hängt von der gesamten Anzahl der Gd-Atome der Legierung ab und wird nicht bemerkenswert vom Phasenentmischungsprozess beeinflusst. Die Curie Temperatur TCurie wird im Vergleich zu monolithischen Gd-Co-Al Gläsern, und abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Gd-reichen Phase, verändert.

The research in low-dimensional (low-D) quantum spin systems has become an arduous challenge for the condensed matter physics community during the last years. In systems with low dimensional magnetic interactions the exchange coupling is restricted to dimensions lower than the full three-D exhibited by the bulk real material. The remarkable interest in this field is fueled by a continuous stream of striking discoveries like superconductivity, quantum liquid and spin gap states, chiral phases, etc, derived from the strong effect of quantum fluctuations on the macroscopic properties of the system and the competition between electronic and magnetic degrees of freedom. The main goal of the current studies is to reach a broad understanding of the mechanisms that participate in the formation of those novel ground states as well as the characteristic dependence with respect to relevant physical parameters. In this thesis we present the results of an Electron Spin Resonance (ESR)-based study on different quasi-1D spin systems, exemplifying the realization of 1D-magnetic spin-chains typically containing transition metal oxides such as Cu2+ or V4+. The local sensitivity of the ESR technique has been considered useful in exploring magnetic excitation energies, dominant mechanisms of exchange interactions, spin fluctuations and the dimensionality of the electron spin system, among others. Aside from ESR other experimental results, e.g., magnetization and nuclear magnetic resonance besides some theoretical approaches were especially helpful in achieving a proper understanding and modeling of those low-D spin systems. This thesis is organized into two parts: The first three chapters are devoted to the basic knowledge of the subject. The first chapter is about magnetic exchange interactions between spin moments and the effect of the crystal field potential and the external magnetic field. The second chapter is a short introduction on exchange interactions in a 1D-spin chain, and the third chapter is devoted to ESR basics and the elucidation of dynamic magnetic properties from the absorption spectrum parameters. The second part deals with the experimental results. In the fourth chapter we start with the magnetization results from the zero-dimensional endohedral fullerene Dy3N@C80. This system is seemingly ESR “silent” at the frequency of X-band experiments. The fifth chapter shows an unexpected temperature dependence of the anisotropy in the homometallic ferrimagnet Na2Cu5Si4O14 containing alternating dimer-trimer units in the zig-zag Cu-O chains. In the sixth chapter different magnetic species in the layer structure of vanadium oxide nanotubes (VOx-NT) have been identified, confirming earlier magnetization measurements. Moreover the superparamagnetic-like nature of the Li-doped VOx-NT samples was found to justify its ferromagnetic character at particular Li concentration on the room temperature scale. In the seventh chapter the Li2ZrCuO4 system is presented as a unique model to study the influence of additional interactions on frustrated magnetism. The eighth chapter highlights the magnetic properties of the pyrocompound Cu2As2O7. The results suggest significant spin fluctuations below TN. The thesis closes with the summary and the list of references.