No description available.

Es werden die Verbindungen YMn2O5 und YFeMnO5 diskutiert. Die erstere zeigt unterhalb von TN = 45 K Ferromagnetismus und in der magnetischen Phase schwache Ferroelektrizität. Die elektrische Polarisation wird mit Symmetriebrechung durch die Spinstruktur erklärt, die zur Aufhebung der Inversionssymmetrie führt (sog. unechtes Ferroelektrikum). Isostrukturelle Ersetzung von Mn durch Fe führt zu YFeMnO5, einer Verbindung, die bei T<165 K ferrimagnetisch, jedoch nicht ferroelektrisch ist. Die Spin-Strukturen beider Verbindungen sind bereits eingehend untersucht und zeigen charakteristische Unterschiede. Für Verbindungen der Zusammensetzung YFe(x)Mn(2-x)O5 wurden Röntgenbeugungs-und Absorptionsfeinstruktur-Experimente zur Bestimmung der Kristallstrukur in Abhängigkeit vom Fe-Anteil x durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, daß die Strukturparameter einen nahezu linearen Verlauf zwischen den aus der Literatur bekannten Grenzfällen YFeMnO5 und YMn2O5 nehmen. Fe ersetzt dabei das Mn auf der fünffach koordinierten Lage innerhalb einer Sauerstoff-Pyramide. Besonders markant ist die unterschiedliche Position von Mn bzw. Fe in dieser Umgebung. Mit Hilfe der Strukturdaten wurden kollineare DFT-Rechnungen im LSDA+U-Formalismus in skalar-relativistischer Näherung durchgeführt. Für YFeMnO5 konnte der experimentell bekannte Grundzustand im Rahmen der Näherung reproduziert werden, obgleich eine Bandlücke nur in Abhängigkeit von der U-Korrektur auftritt. Der berechnete Grundzustand von YMn2O5 gibt die komplizierte magnetische Struktur dieser Verbindung nicht wieder, weil die gewählte Elementarzelle des Gitters dafür zu klein ist. Statt dessen ist der berechnete Grundzustand hier sehr ähnlich zu dem von YFeMnO5. Eine ausführliche Untersuchung der projizierten Zustandsdichten der Metallatome ermöglicht die Diskussion der Kristallfeldaufspaltung im Zusammenhang mit deren Position innerhalb der Sauerstoffpolyeder. Durch Berechnung mehrerer Spinstrukturen in einer kristallographischen Elementarzelle mit erniedrigter Symmetrie konnten die Austauschparameter eines Heisenberg-Modells zwischen den lokalisierten Spins der Metallatome berechnet werden. Die Größenverhältisse dieser Parameter können mit den aus der Literatur bekannten Spinstrukturen in Einklang gebracht werden. Die Wechselwirkungen sind überwiegend antiferromagnetisch, in Übereinstimmung mit den GKA-Regeln für den Superaustausch. Bei YMn2O5 wird insbesondere eine der schwächeren Kopplungen in der magnetischen Struktur periodisch frustriert. Man geht davon aus, daß dies eine mögliche Ursache für das Auftreten von Ferroelektrizität in der magnetischen Phase ist. Bei YFeMnO5 ist der berechnete Wert dieser Kopplung wesentlich größer und die magnetische Struktur beinhaltet keine Frustration. Dies ist eine mögliche Erklärung für die Abwesenheit der magnetisch induzierten Ferroelektrizität in YFeMnO5. Im zweiten Teil stehen das in Perowskitstruktur kristallisierende SrTiO3 und die durch Hinzufügen von SrO daraus hervorgehenden Kristallstrukturen der sog. Ruddlesden-Popper-Phasen (RP) im Mittelpunkt. Die Daten von Nahkanten-Elektronenenergieverlustspektren (ELNES) an der Sauerstoff K-Kante in SrTiO3, SrO und einer RP-Phase wurden ausgewertet und mit DFT-berechneten projizierten Zustandsdichten (PDOS) der 2p-Orbitale der O-Atome in diesen Verbindungen verglichen. Bei ELNES-Nahkantenspektren ist ein solcher Vergleich mit Experimenten im Bereich hoher Elektronenenergien möglich, weil die Auswahlregel auch für die inelastischen Elektronenstöße zutrifft. Die Spektren zeigen für jede Verbindung charakteristische Maxima, deren Ursache die unterschiedliche nähere Umgebung der Sauerstoffatome ist. Weiterhin wurden Experimente an SrTiO3-Einkristallen unter Einfluß elektrischer Gleichströme und -felder durchgeführt. Bei Experimenten an Einkristall-Wafern waren Hinweise auf lokale Veränderungen der Kristallstruktur unter diesen Bedingungen gefunden worden. Ergänzend dazu wurden mikroskopische einkristalline Proben untersucht. Bei geringen Stromstärken zeigte sich dabei das bereits bekannte Degradationsverhalten des elektrischen Widerstands. Bei hohen Stromstärken kommt es zum elektrischen Durchbruch und dauerhafter Erniedrigung des Widerstands. Röntgenbeugungsmessungen ergaben keine Hinweise auf Veränderungen an der Kristallstruktur oder in Form von Zwillings-oder Bruchstückbildung. Im dritten Teil werden Röntgenbeugungsmessungen an CeCu2Si2-Einkristallen diskutiert. Bei der Auswertung älterer Messungen fielen nach der Strukturbestimmung charakteristische Maxima der Restelektronendichte auf, deren Ursprung nicht erklärt werden konnte und die bei mehreren Kristallen beobachtet wurden. Mit erneuten Messungen und Simulationen konnte nun gezeigt werden, daß diese Maxima von einer fehlerhaften Auswertungsmethode verursacht wurden.

Die magnetischen Eigenschaften von Li2CuO2 sind seit mehr als zwei Jahrzehnten Gegenstand theoretischen und experimentellen Interesses. Über die genaue Natur der magnetischen Wechselwirkungen in diesem Isolator konnte jedoch keine Einigkeit erzielt werden. Während das Material von Seiten theoretischer Untersuchungen als quasi-eindimensionaler Magnet mit starken ferromagnetischen Kopplungen entlang der Kette verstanden wurde, legten experimentelle Studien dominierende dreidimensionale Zwischenkettenkopplungen nahe. Im Rahmen dieser Dissertation werden auf der Grundlage von Untersuchungen des magnetischen Anregungsspektrums mittels inelastischer Neutronenstreuung und dessen Analyse innerhalb eines Spinwellenmodels die führenden magnetischen Wechselwirkungen in Li2CuO2 bestimmt. Es wird zweifelsfrei nachgewiesen, dass das Material eine quasi-eindimensionale Spinkettenverbindung darstellt. Insbesondere kann die Konkurrenz von ferro- und antiferromagnetischen Wechselwirkungen entlang der Ketten nachgewiesen werden. Die Anwendbarkeit einer Spinwellenanalyse dieses niedrigdimensionalen Spin-1=2 Systems wird gezeigt. Das magnetische Phasendiagramm wird mittels Messungen von spezifischer Wärme, thermischer Ausdehnung und Magnetostriktion sowie der Magnetisierung in statischen und gepulsten Magnetfeldern untersucht und im Bezug auf die Austauschwechselwirkungen diskutiert. Aufgrund seiner einfachen kristallographischen und magnetischen Struktur stellt Li2CuO2 ein potentiell wertvolles Modellsystem in der Klasse der Spinkettenverbindungen mit konkurrierenden ferro- und antiferromagnetischen Wechselwirkungen dar. / The magnetic properties of Li2CuO2 have attracted interest since more than two decades, both in theory and experiment. Despite these efforts, the precise nature of the magnetic interactions in this insulator remained an issue of controversial debate. From theoretical studies, the compound was understood as a quasi-one-dimensional magnet with strong ferromagnetic interactions along the chain, while in contrast, experimentally studies suggested dominant three-dimensional inter-chain interactions. In this thesis, the leading magnetic exchange interactions of Li2CuO2 are determined on the basis of a detailed inelastic neutron scattering study of the magnetic excitation spectrum, analyzed within spin-wave theory. It is unequivocally shown, that the material represents a quasi-one-dimensional spin-chain compound. In particular, the competition of ferro- and antiferromagnetic interactions in the chain has been evidenced. The applicability of a spin-wave model for analysis of this low-dimensional spin-1=2 system is shown. The magnetic phase diagram of Li2CuO2 is studied by specific heat, thermal expansion and magnetostriction measurements as well as magnetization measurements in both static and pulsed magnetic fifields. The phase diagram is discussed with respect to the exchange interactions. With its simple crystallographic and magnetic structure, Li2CuO2 may serve as a worthwhile model system in the class of spin-chain compounds with competing ferromagnetic and antiferromagnetic interactions.

In der vorliegenden Dissertation wurden magnetisch heterogene, weichmagnetische Schichten hergestellt und in ihren magnetischen Eigenschaften gezielt modifiziert. Zu Beginn wurden in makroskopischen Bereichen Strukturen mit lateral in Streifen modulierter magnetischer Anisotropie im Mikrometermaßstab hergestellt, um den Einfluss der inneren Grenzflächen auf die magnetische Hysterese zu charakterisieren. Dazu wurden über Ionenimplantation in einer funktionalen Deckschicht lokal zusätzliche mechanische Spannungen generiert, ohne die intrinsischen Eigenschaften der magnetischen Schicht zu verändern. Mit der entwickelten Methode können rein über das gezielte Induzieren mechanischer Spannungen hybride magnetische Eigenschaften mit periodisch alternierenden, magnetisch leichten Achsen erzeugt werden. Im mesoskopischen Bereich beeinflussen zusätzlich die äußere Form und die Größe der magnetisch heterogenen Elemente die magnetischen Eigenschaften. In dieser Dissertation wurde für streifenstrukturierte Quadrate ein analytisches Modell entwickelt, um die Wechselwirkungen von Grenzflächen innerhalb der Elemente und der lateralen Elementgrenzen auf das Ummagnetisierungsverhalten zu simulieren. Das modellierte Ummagnetisierungsverhalten wurde mit experimentell gemessenen Daten unterlegt und bestätigt. Im Vergleich zwischen Modell und Experiment zeigte sich, dass die Größe der externen Felder, bei denen die Magnetisierung innerhalb der Elemente schaltet, voneinander abweicht. Dies ist bedingt durch die bevorzugte Nukleation magnetischer Domänen an den lateralen Begrenzungen der quadratischen Elemente. Ein Aspekt, der die Nukleation von Domänen wesentlich beeinflusst, ist die Form der lateralen Begrenzung. Durch gezielte Manipulation des Kantenwinkels wurde das Ummagnetisierungsverhalten weichmagnetischer Kreisscheiben gesteuert. Dabei nukleiert der für Kreisscheiben charakteristische Vortexzustand bevorzugt in Elementen mit abgeschrägten Kanten. Die Gesamtheit der Daten zeigt, dass die magnetischen Eigenschaften heterogener Strukturen nicht nur von den Eigenschaften der Ausgangsmaterialien abhängen, sondern entscheidend von den Größen und Formen der Strukturierungen und der Elemente bestimmt werden.

At their discovery in 2008, iron pnictide superconductors (IPS) provoked tremendous scientific interest, comparable to the discovery of the cuprate superconductors. So far, IPS reached critical temperatures T c up to 56K. Typically, they show an antiferromagnetic (afm) spin density wave (SDW) which has to be suppressed by doping before superconductivity develops, which then is supported by further doping. Due to the close vicinity of the magnetic and the superconducting (sc) phase, magnetic fluctuations are discussed to be responsible for the sc pairing mechanism in IPS. A special member of the IPS is LiFeAs, because it does not need doping to become sc. It is a stoichiometric superconductor at a T c of 18K. In fact, doping is suppressing its T c . Also, there is no sign of an afm SDW present. Therefore, LiFeAs is a interesting material to study the properties of the IPS in an undisturbed material. In 2010, experiments of the Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW Dresden) revealed further surprising properties of LiFeAs. Samples with a Li deficiency undergo a ferromagnetic (fm) phase transition at 165K. Theoretical calculations suggest that fm fluctuations could induce triplet superconductivity in LiFeAs. This would cause a nonvanishing dynamic susceptibility below T c , which is supported by nuclear magnetic resonance (NMR) experiments. This thesis is discussing the results of the IFW Dresden experiments, and concludes that this ferromagnetism is of weak itinerant nature. The origin might be an increase of the density of states (DOS) at the Fermi level, which is causing an instability towards fm order, as proposed by the Stoner model. For further doping experiments, the synthesis procedure of polycrystalline LiFeAs was optimized to get samples with maximum T c and minimum impurities. Therefore, nuclear quadrupole resonance (NQR) was used. The NQR line width is a measure of impurities in the sample. By minimizing the NQR line width, optimal samples were synthesized. These samples are able to compete with the properties of single crystals. To investigate the doping behavior of LiFeAs, a scenario with four different kinds of impurities and deficiencies was performed with the optimized synthesis procedure. 24 different samples were analyzed, by means of NQR and electrical conductivity. It was found that in fact Fe excess is responsible for changing the physical properties of LiFeAs, and not Li deficiency. It is causing a shrinking of the unit cell volume, as seen by X-ray diffraction (XRD) measurements and it causes a decrease of T c . It also leads to a decrease of room temperature resistivity, which is supporting an increase of the DOS at the Fermi level. The NQR frequency is scaling with the amount of Fe excess and can be used to draw the sc and fm phase diagram of off-stoichiometric LiFeAs. At an amount between 3.2 and 3.6% o f Fe excess LiFeAs undergoes the fm transition.

Short circuit, electrical overloads, power line losses and electrical injury, but also circuit breaker and fuse, leakage current protector, power transformation and protection against electric shock. All these terms are connected with the mystery of operation in eletric power distribution systems. Let us join electricity on its journey from power station to everyone's socket. What do we experience on this adventurous journey? Sometimes there may be even a risk of death! Fortunately, thanks to the sophisticated application of physical principles of electricity and magnetism, most of the threats are avoided. Will we be able to uncover the veil of physical electricity site or will it defend its secrets?

A very important step in the art of cooking up models for the study of natural phenomena is the identification of the relevant ingredients. Taking into account too many details will lead to an overly complicated model, not at all useful to work with, but neglecting some crucial elements will lead to an equally useless model. So it is often the case that the actual experimental situation presents unavoidable sources of local randomness, whilst the analysed phenomenon does not really rely on presence/absence of such imperfections. For some other set of phenomena, however, disorder can play a crucial role, and must be carefully taken into account. Such is for example the case in certain phases of matter, the spin-glass phase, or the many-body localised phase. In this thesis we explore disorder in both of these situations and also as a theoretical means of testing the regime of liquidity in certain two-dimensional highly frustrated magnetic models. The focus here is placed on classical Heisenberg models defined on lattices consisting of clusters all sites of which interact mutually pairwise. This natural way to introduce frustration has been known in the literature to lead to so-called Coulomb spin-liquids, the single class of classical spin-liquids acknowledged to exist so far in Heisenberg models. Here we show that in fact two different classes of classical spin-liquids can be obtained from similarly defined frustrated models. In one of these, algebraic correlations exist at $T=0$, similar to the Coulomb phase, but the system exhibits a rather different low$-T$ effective action from the Coulomb phase. In the other class, the spin-liquid has spin correlations that decay exponentially with distance, with a correlation length smaller than a lattice spacing even at $T=0$. One special effect of disorder in these models, considered in the form of dilution by non-magnetic impurities, is to nucleate local degrees of freedom, so-called orphans, which express the concomitant spin-liquid phase through their non-trivial fractionalisation. When the associated spin-liquid exhibit algebraic correlations, it is also possible to find new effective spin-glass models as an effective $T=0$ description for interactions between the orphans, leading to so-called `random Coulomb magnets'. One part of this thesis is devoted to the first study of these new models. This investigation consists mainly of Monte Carlo simulations and numerical solution of the relevant large$-n$ equations ($n$ being the number of spin components). A clear spin-glass transition for infinitely large coupling strength is determined for the case of spins with an infinite number of components. The results presented on the situation for a finite number of spin components are more of an exploratory character, and large-scale simulations with further optimization schemes to ensure equilibration are still required to locate the transition. The final investigation treated in this thesis deals with the dynamics in a quantum model with disorder displaying the many-body localized phase, where in addition a periodic drive is applied. For a certain range of driving frequencies and amplitudes, it was found recently that the many-body localized phase is robust. These pioneering studies restricted themselves to an analysis of the stability of such a phase in the long time limit, while very little was known about the dynamics towards the asymptotic fate. Our study focuses on this aspect, and analyses the different dynamical behaviors as one varies the driving parameters, so that the many-body localized phase survives or is destroyed by the driving. We discover that on the border between these two asymptotic fates, a new dynamical behavior emerges, where the system heats up at a very slow, logarithmic in time, rate. / Die Bestimmung der wichtigsten Bestandteile stellt einen sehr wichtigen Schritt in der Kunst des Erstellens von Modellen dar. Die Annahme von zu vielen Details ergibt ein sehr kompliziertes, zu nichts zu gebrauchendes Modell, doch die Vernachlässigung von bedeutenden Zusammenhängen führt ebenfalls zu einem unbrauchbaren Ergebnis. Es ist so z.B. häufig der Fall, dass ein Experiment unter dem Einfluss von unvermeindlichen lokalen Zufälligkeiten steht, die allerdings kaum einen Einfluss auf ein beobachtetes Phänomen haben. Für gewisse Phänomene spielt Unordnung jedoch eine wesentliche Rolle und sie muss sehr genau in Betracht gezogen werden. Das ist für bestimmte Phasen, wie beispielsweise Spinglas oder die Vielteilchen-Lokalisation, der Fall. In dieser Dissertation untersuchen wir ungeordnete Systeme, die solche Phasen aufweisen. Außerdem verwenden wir Unordnung als ein theoretisches Werkzeug für die Analyse von bestimmten `Spinflüssigkeiten' in zweidimensionalen Spinmodellen. Der Fokus liegt hierbei auf klassischen Heisenberg Modellen definiert auf Gittern, die aus einer Anordnung von Clustern bestehen, sodass jede einzelne paarweise Heisenberg-Wechselwirkung innerhalb eines Clusters stattfindet. Dadurch weist das System geometrische Frustration auf und in mehreren Fällen tritt eine sogennante Coulomb Spinflüssigkeit ---die bislang einzig bekannte Klasse von klassischen Spinflüssigkeit in Heisenberg Modellen--- auf. Wir zeigen, dass mindestens zwei weitere Arten von klassischen Spinflüssigkeiten in solchen Modellen zu finden sind. Für die eine Klasse sind Spinkorrelationen zu erwarten, die algebraisch mit der Entfernung bei $T=0$ abnehmen, ähnlich wie für eine Coulomb Phase. Diese neu entdeckte Spinflüssigkeit lässt sich jedoch von der Coulomb Phase durch eine neue effektive Tieftemperatur-Theorie unterscheiden. Für die andere Klasse von Spinflüssigkeiten sind die Spinkorrelationen kurzreichweitig, und selbst bei $T=0$ nehmen sie exponentiell ab, mit einer Korrelationslänge, die kleiner als ein Gitterabstand ist. Unordnung, in der Form von nicht-magnetischen Störstellen, kann lokale Freiheitsgrade entstehen lassen (diese werden in der Literatur auch als `Orphans', Waisen, bezeichnet). Die Orphans verweisen durch ihre `Fraktionierung' eindeutig auf die nicht trivialen Korrelationen der spinflüssigen Phase. Falls die Spinflüssigkeit algebraische Korrelationen aufweist, findet man auch langreichweitige Wechselwirkungen zwischen den Orphans bei $T=0$. Dies führt zu neuen Spinglasmodellen, sogenannten `Random Coulomb Magnets'. Ein Teil dieser Dissertation ist der Untersuchung solcher Modelle gewidmet. Diese Untersuchung besteht hauptsächlich aus Monte Carlo Simulationen und numerischer Lösung der relevanten Large-$n$ Gleichungen (wobei $n$ hier auf die Anzahl an Spinkomponenten hinweist). In dem Fall von Spins mit unendlich vielen Spinkomponenten können wir einen eindeutigen Spinglas Phasenübergang für eine unendlich große Kopplungsstärke bestimmen. Die entsprechenden Ergebnisse für den Fall von Spins mit einer endlichen Anzahl an Spinkomponenten sind von einem exploratorischen Charakter. Zusätzliche Simulationen, die möglicherweise weitere Optimierungsschema verwenden um Äquilibrium zu gewährleisten, sind noch von nöten um eine eindeutige Aussage über den Übergang in solchen Fällen zu treffen. Der letzte Teil dieser Dissertation widmet sich der Untersuchung der Dynamik eines ungeordneten Quantenmodells. Das ausgewählte Modell weist die sogennante Vielteilchen-lokalisierte Phase auf, und wir untersuchen insbesondere den Effekt eines periodischen Antriebs auf die Dynamik des Systems. Für eine bestimmte Auswahl der Antriebs-frequenz und -amplitude, wurde es bereits vor kurzem bewiesen, dass die Vielteilchen-lokalisierte Phase diese Störung übersteht. Unsere Studie ist darauf ausgelegt, wie sich die Dynamik des Systems durch Variation der Antriebsparameter ändert, so dass die Vielteilchen-lokalisierte Phase für lange Zeit entweder den Antrieb übersteht oder von ihm zerstört wird. Wir konnten dadurch entdecken, dass an der Grenze zwischen diesen beiden Fällen ein neues dynamisches Verhalten entsteht, bei der das System eine sehr langsame, logarithmisch mit der Zeit, Erwärmung aufweist.

Although ferromagnets are found in all kinds of technological applications, their natural occurrence is rather unusual because only few substances are known to be intrinsically ferromagnetic at room temperature. In the past twenty years, a plethora of new artificial ferromagnetic materials has been found by introducing defects into non-magnetic host materials. In contrast to the intrinsic ferromagnetic materials, they offer an outstanding degree of material engineering freedom, provided one finds a type of defect to functionalize every possible host material to add magnetism to its intrinsic properties. Still, some controversial questions remain: What are the mechanisms behind these ferromagnetic materials? Why are their magnetization values reported in the literature so low? Are these materials really technologically relevant ferromagnets? In this work, we aim to provide a systematic investigation of the phenomenon. We propose a universal scheme for the computational discovery of new artificial functional magnetic materials, which is guided by experimental constraints and based on first principles. The obtained predictions explain very well the experimental data found in the literature. The potential of the method is further demonstrated by the experimental realization of a truly 2D ferromagnetic phase at room temperature, created in nominally non-magnetic TiO$_2$ films by ion irradiation, which follows a characteristic 2D magnetic percolation transition and exhibits a tunable magnetic anisotropy. Furthermore, the technological relevance of these artificial ferromagnetic materials, which comes to shine when one combines the engineered magnetic with some of the intrinsic properties of the host material, is demonstrated by creating a spin filter device in a ZnO host that generates highly spin-polarized currents even at room temperature.:1 Introduction 2 Computational discovery of artificial ferromagnets 2.1 Ferromagnetism in solids 2.1.1 Exchange interaction and magnetic order 2.1.2 Artificial magnetism due to defects 2.2 Predicting defect structures from collision cascades 2.3 Finding magnetic defect candidates 2.4 Magnetic percolation 2.5 Magnetic phase diagram of anatase TiO 2 artificial ferromagnet 2.5.1 Defect creation in anatase TiO 2 2.5.2 Magnetic properties of dFP defects in anatase TiO 2 2.5.3 Constructing a magnetic phase diagram 2.6 Revisiting prior experimental results 3 Artificial ferromagnetism in TiO 2 hosts 3.1 Low energy ion irradiation 3.2 SQUID magnetometry 3.3 Experimental realization of an artificial ferromagnet in TiO2 4 Artificial magnetic monolayers and surface effects 4.1 Critical behavior and 2D magnetism 4.2 Magnetic anisotropy 4.2.1 Demagnetizing field and magnetic shape anisotropy 4.2.2 Magnetocrystalline anisotropy 4.3 Artificial ferromagnetic monolayer at TiO 2 surface with perpendicular magnetic anisotropy 4.4 DFT calculations of the defective anatase TiO 2 [001] surface 5 Spin transport through artificial ferromagnet interfaces 5.1 Artificial ferromagnetism in ZnO hosts 5.2 Spin filter effect at magnetic/non-magnetic interfaces in ZnO 5.2.1 The spin filter effect 5.2.2 Lithium and hydrogen doping in ZnO 5.2.3 Magneto-transport in artificial ferromagnetic Li:ZnO microwires 5.2.4 Spin transport through magnetic/non-magnetic interfaces 5.2.5 Minority spin filter effect 6 Conclusions and Outlook Bibliography Appendix: A List of publications B Computation inputs and codes B.1 DFT electronic structure calculations - Fleur input files B.2 Magnetic Percolation simulations B.3 SQUID raw data analysis code B.4 SRIM Monte Carlo binary collision code automation / Obwohl Ferromagnete in allen möglichen technischen Anwendungen zu finden sind, ist ihr natürliches Vorkommen eher ungewöhnlich, da nur wenige Stoffe bekannt sind, die bei Raumtemperatur intrinsisch ferromagnetisch sind. In den letzten zwanzig Jahren wurde eine Fülle neuer künstlicher ferromagnetischer Materialien durch das Einbringen von Defekten in nichtmagnetische Wirtsmaterialien entdeckt. Im Gegensatz zu den intrinsischen ferromagnetischen Materialien bieten sie einen herausragenden Grad an materialtechnischer Freiheit, vorausgesetzt man findet zu jedem möglichen Wirtsmaterial einen passenden Typus von Defekten, um dessen intrinsische Eigenschaften um Magnetismus zu ergänzen. Dennoch bleiben einige kontroverse Fragen bislang unbeantwortet: Welche Mechanismen stehen hinter diesen ferromagnetischen Materialien? Warum werden ihre Magnetisierungswerte in der Literatur meist so niedrig angegeben? Sind diese Materialien wirklich technologisch relevante Ferromagneten? In dieser Arbeit wollen wir eine systematische Untersuchung des Phänomens durchführen. Wir schlagen ein universelles ab-initio Protokoll für die computergestützte Entdeckung von neuen künstlichen funktionalen magnetischen Materialien vor, das sich an experimentellen Bedingungen orientiert. Die erhaltenen Vorhersagen erklären die in der Literatur gefundenen experimentellen Daten sehr gut. Wir demonstrieren die Wirksamkeit der Methode durch die experimentelle Realisierung einer echten 2D-ferromagnetischen Phase bei Raumtemperatur, die in nominell nicht-ma'-gne'-tischen TiO$_2$-Filmen durch Ionenbestrahlung erzeugt wird. Die so entstehende ferromagnetische Phase folgt einem charakteristischen zweidimensionalen magnetischen Perkolationsprozess und weist eine steuerbare magnetische Anisotropie auf. Weiterhin wird die technologische Relevanz dieser künstlichen ferromagnetischen Materialien gezeigt, welche besonders zum Vorschein kommt, wenn man die künstlichen magnetischen mit einigen der intrinsischen Eigenschaften des Wirtsmaterials kombiniert, und zwar indem ein Spin-Filter Element auf Basis eines ZnO-Wirts gebaut wird, das selbst bei Raumtemperatur hoch spin-polarisierte Ströme erzeugt.:1 Introduction 2 Computational discovery of artificial ferromagnets 2.1 Ferromagnetism in solids 2.1.1 Exchange interaction and magnetic order 2.1.2 Artificial magnetism due to defects 2.2 Predicting defect structures from collision cascades 2.3 Finding magnetic defect candidates 2.4 Magnetic percolation 2.5 Magnetic phase diagram of anatase TiO 2 artificial ferromagnet 2.5.1 Defect creation in anatase TiO 2 2.5.2 Magnetic properties of dFP defects in anatase TiO 2 2.5.3 Constructing a magnetic phase diagram 2.6 Revisiting prior experimental results 3 Artificial ferromagnetism in TiO 2 hosts 3.1 Low energy ion irradiation 3.2 SQUID magnetometry 3.3 Experimental realization of an artificial ferromagnet in TiO2 4 Artificial magnetic monolayers and surface effects 4.1 Critical behavior and 2D magnetism 4.2 Magnetic anisotropy 4.2.1 Demagnetizing field and magnetic shape anisotropy 4.2.2 Magnetocrystalline anisotropy 4.3 Artificial ferromagnetic monolayer at TiO 2 surface with perpendicular magnetic anisotropy 4.4 DFT calculations of the defective anatase TiO 2 [001] surface 5 Spin transport through artificial ferromagnet interfaces 5.1 Artificial ferromagnetism in ZnO hosts 5.2 Spin filter effect at magnetic/non-magnetic interfaces in ZnO 5.2.1 The spin filter effect 5.2.2 Lithium and hydrogen doping in ZnO 5.2.3 Magneto-transport in artificial ferromagnetic Li:ZnO microwires 5.2.4 Spin transport through magnetic/non-magnetic interfaces 5.2.5 Minority spin filter effect 6 Conclusions and Outlook Bibliography Appendix: A List of publications B Computation inputs and codes B.1 DFT electronic structure calculations - Fleur input files B.2 Magnetic Percolation simulations B.3 SQUID raw data analysis code B.4 SRIM Monte Carlo binary collision code automation

This diploma thesis deals with the problems of analysis and the subsequent design of a precision manipulator used as a microscope table. The first part od the final thesis deals with the problems associated with the movement of the test sample within the electron microscope. Subsequently, possiblle design variants were proposed, further developing the next steps fot the correctness and functionality of manipulator. The individual force loads of the components were calculated. The result of the work was constructed as a CAD model with subsequent transfer to the assembly drawing.

Magnonika je novým odvětvím výzkumu, který se zabývá fyzikou spinových vln. Magnonika jako vědní obor nabízí nové možnosti například v nediskrétních výpočtech na základě vlnového charakteru spinových vln. Při výrobě magnonických prvků klasickými metodami není možné příliš měnit charakter materiálů, ze kterých jsou jednotlivé prvky vyrobeny. Tento fakt silně omezuje univerzálnost vyrobených struktur. Cílem této práce je aplikovat nový typ materiálu do oboru magnoniky. Specifikum daného materiálu je možnost zápisu magnetických struktur pomocí iontového svazku. Ukazuje se, že tyto struktury mají velice zajímavé magnetické vlastnosti, které lze velice přesně řídit právě strategií ozařování iontovým svazkem. Na základě fázově rozlišené Brillouinovy spektroskopie jsme získali disperzní relaci spinových vln v tomto systému a tím i důležité parametry systému. Pozorování podkládáme mikromagnetickými simulacemi a analytickými modely. Vlastnosti systému pro magnonické aplikace prezentujeme na třech prototypických sadách struktur, které nelze vyrobit pomocí klasických materiálů.