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The prominent features of single molecule magnets (SMMs), such as the quantum tunneling of the magnetization (QTM), are conventionally understood through the giant spin approximation (GSA) which considers the molecule as a single rigid spin. This model often requires the inclusion of high order anisotropy terms in the Hamiltonian, a manifestation of admixing of low lying excited states that can be more naturally understood by employing a multi-spin (MS) description i.e. considering the individual spins and the interactions between ions within the molecule. However, solving the MS Hamiltonian for high nuclearity molecules is not feasible due to the enormous dimensions of the associated Hilbert space that put it beyond the capability of existing computational resources. In contrast, low nuclearity systems permit the complete diagonalization of the MS Hamiltonian required to sample the effect of internal degrees of freedom, such as exchange interactions and single ion anisotropies, on the QTM. This dissertation focuses on the study of low nuclearity SMMs in view of understanding these subtle quantum effects. To accomplish this, we have developed a series of magnetic characterization techniques, such as integrated microchip sensors resulting from the combination of two dimensional electron gas (2DEG) Hall-Effect magnetometers and microstrip resonators, capable of performing measurements of magnetization and EPR spectroscopy simultaneously. The thesis bases on a comparative study of two low nuclearity SMMs with identical magnetic cores (Mn4 dicubane) but differing ligands. Notably, one of these SMMs lacked solvent molecules for crystallization; a characteristic that gives rise to extremely sharp resonances in the magnetization loops and whose basic QTM behavior can be well explained with the GSA. On the contrary, the second SMM exhibited mixed energy levels, making a MS description necessary to explain the observations. We have also examined the role of internal degrees of freedom on more subtle QTM phenomena, leading to the explanation of asymmetric Berry-phase interference patterns observed in a Mn4 SMM in terms of a competition between different intermolecular magnetic interactions, i.e. non-collinear zero-field splitting tensors and intramolecular dipolar iii interactions, resulting in astonishing manifestations of the structural molecular symmetry on the quantum dynamics of the molecular spin.

Molecular magnets with different dimensionality, whether they are zero-dimensional singlemolecule magnets (SMM) or one-dimensional single-chain magnets (SCM) are very interesting, since they allow probing the fundamental aspects bordering quantum and classical physics at the nanoscale level. This dissertation covers experimental studies of two Mn-based exchangecoupled molecule-based magnets and two Co-based single-chain magnets, using both dc Halleffect magnetometry and electron paramagnet resonance (EPR) techniques. In these multidimensional systems, the spin of the molecule exhibits quantum mechanical behavior at low temperature. It is quite interesting to observe the effect of magnetic exchange interactions on the magnetic properties of various complexes; hence they strongly affect the magnetic behavior. In this dissertation, the research is initiated with the study of low-magnetic-nuclearity molecules, starting with a spectroscopic study of a significantly anisotropic Mn(IV) monomer. At low temperature the molecule possesses easy-plane type anisotropy of a remarkable magnitude. Although the molecule is not a single-molecule magnet, the remarkable anisotropy can initiate synthesis of newer and better molecular magnets with Mn(IV) as the main building block. Furthermore, the interplay between the magnetic anisotropy and the inter-ion exchange interactions (J) within the molecule are probed for a dimer and a trimer where the magnetic core is comprised of two and three ions respectively. In the Mn-based case of the dimer, the low coupling between the atoms leads to significant state mixing, thus making it impossible to assign the individual spin states to the dimer or to the respective individual Mn(II) ions. In the case of iv the trimer, lowering of the symmetry achieved by fine tuning of the inter-ion exchange interactions leads to relieving of frustration in the antiferromagnetic (AF) triangular Mn(III) system, resulting in a well defined ground state and significant zero field splitting. Also a clear hysteretic behavior observed in this system demonstrates its SMM nature at low temperature. Finally, high-field high-frequency magnetic and spectroscopic studies performed on two cobalt-based SCMs reveal that formation of magnetic domains by exchange interactions within the chain are strongly influenced by thermal fluctuations. The chain possesses a uniaxial anisotropy with the quantization axis lying along the length of the chain. Moreover it is shown that modulation of the magnitude of inter- and intra-chain interactions results in a threedimensional dynamics in one of the samples. Interestingly, detailed dc magnetic studies show a tunable crossover between one- and three-dimensional magnetic dynamics as a function of temperature and/or magnetic field sweep rate. Our voyage through several molecular systems of different dimensionality have allowed us to expand our understanding of the role of exchange interactions on the magnetic behavior in molecular magnetism

Magnets play a major role in our rapidly developing world of technology. Electric motors and generators, transformers, data storage devices, MRI machines, cellphones, and NMR are some of the many applications for magnets. However, almost all the magnets currently being used have rare-earth heavy metals in them. Despite their high-energy product, the presence of rare-earth metals increases the cost significantly. Also, the processes involved in the mining of rare-earth metals are hazardous to the environment, and to all life forms. In the past few decades, oxide based magnets have gained a lot of attention as potential replacements for the rare-earth magnets. Oxide based magnetic nanocrystals are attracting a lot of attention as a potential replacement for rare-earth magnets. They are stable in ambient condition and their manufacturing cost is very low when compared to the rare-earth magnets. My work deals with the synthesis of core-shell magnetic structure for high frequency applications (Chapter 1) and the synthesis of high energy product magnetic nanocrystals (Chapter 2) and the synthesis of soft magnetic nanocrystals for high frequency measurement. NiZn ferrite, a soft oxide based magnet cannot be directly implied at high frequencies as they fail at the frequency which over the MHz range. On the other hand, BaZn ferrite is a Y-type magnets, which is robust at higher frequencies. Therefore, using the latter magnet as a protective shell for core material, made of former magnet, enables us to manufacture a cheap solution to the rare-earth magnets used in our cell phones and other devices that work on high frequency signals. On the other hand, successful coating of a very soft magnetic material on a hard-magnetic core increases the total energy product of the magnetic composite, which enhances its versatility. / Mechanical Engineering

La fabrication d’aimants permanents nano-structurés est l’une des solutions envisagées pour remplacer les aimants actuels à base de terres rares, pour lesquelles se posent des problèmes géopolitiques et environnementaux. Dans le but d’élaborer de tels matériaux, nous avons suivi une approche bottom-up utilisant des méthodes chimiques.Nos travaux ont visé dans un premier temps à synthétiser des nanoparticules (NPs) magnétiques dures qui peuvent servir de briques élémentaires dans la fabrication d’aimants nano-structurés. Notre étude systématique sur des nanobâtonnets de cobalt (NBs Co) synthétisés par voie polyol, a montré que leur champ coercitif augmente de 3 à 7 kOe avec la diminution du diamètre et l’augmentation du rapport d’aspect structural. Des simulations micro-magnétiques ont montré qu’un mécanisme de retournement d’aimantation par nucléation-propagation de parois rendait compte des résultats expérimentaux. Des NPs bi-métalliques FePt et tri-métalliques FePtX (X = Ag, Cu, Sn, Sb) de structure CFC ont été obtenues par l’adaptation d’une synthèse organométallique ou par la réduction d’acétylacétonates métalliques. Les recuits à haute température (650°C pour FePt, 400°C pour FePtX) ont conduit à la transition de phase FePt CFC L10 et à des champs coercitifs élevés (>12 kOe). La maîtrise d’un procédé multi-étapes, impliquant la protection des NPs FePt CFC par une coquille MgO et un recuit à 850°C, a permis d’obtenir des NPs FePt L10 de taille moyenne 10 nm présentant des champs coercitifs jusqu’à 27 kOe.La seconde partie de nos travaux a porté sur l’assemblage de NPs présentant des anisotropies différentes. Deux systèmes ont été étudiés : FePt CFC+FeCo CC, FePt L10+NBs Co HCP. Dans les deux cas, le contact entre les deux types de NPs a été favorisé par l’utilisation d’un ligand bi-fonctionnel suivi d’un traitement thermique. Dans le système FePt+FeCo, le recuit à haute température (650°C), nécessaire pour obtenir la phase FePt L10, a entraîné l’inter-diffusion des phases et la quasi-disparition de la phase FeCo CC. Dans le second système FePt+Co, un comportement de spring magnet a clairement été identifié, les deux phases étant efficacement couplées. L’inter-diffusion des phases a été limitée par la température modérée du recuit (400°C). Un champ coercitif de 10 kOe a été mesuré pour une teneur en Pt de seulement 25%at., malgré la perte de la forme anisotrope des NBs Co. / The production of nano-structured permanent magnets is a promising alternative to rare earth magnets, which induced geopolitical and environmental issues. In order to elaborate such materials, we followed a bottom-up approach based on chemical methods. A first objective consisted in synthesizing hard magnetic nanoparticles (NPs) as building blocks for nano-structured magnets. The properties of cobalt nanorods (Co NRs) synthesized by the polyol process have been systematically studied. Coercive fields could be raised from 3 to 7 kOe by decreasing the diameter and improving the structural aspect ratio. Micro-magnetic simulations showed that a magnetization reversal following a nucleation and domain-wall propagation process could explain the experimental results. Bi-metallic FePt and tri-metallic FePtX (X = Ag, Cu, Sn, Sb) exhibiting the FCC structure were synthesized following two routes based on the reduction of an organometallic Fe precursor or of metallic acetylacetonates. Annealing at high temperatures (650°C for FePt, 400°C for FePtX) allowed the phase transition FCC  L10 to occur, leading to high coercive fields (>12 kOe). A multi-steps process, involving the protection of FePt NPs with an MgO shell and an annealing at 850°C, was optimized to produce L10 FePt NPs with a mean size of 10 nm and a coercivity up to 27 kOe. In the second part of our study, we worked on assemblies of NPs with different magnetic anisotropies. Two systems were studied : FCC FePt+BCC FeCo, L10 FePt+HCP Co NRs. In both cases, the contact between the two types of NPs was favored by the presence of a bi-functional ligand followed by an annealing step. Concerning the FePt+FeCo system, the high temperature annealing (650°C), required to get the L10 FePt phase, led to the inter-diffusion of the phases and to the dissolution of the BCC FeCo phase. For the FePt+Co system, a spring magnet behavior has been clearly evidenced, the two phases being efficiently coupled The inter-diffusion of the phases was limited thanks to the fairly low annealing temperature (400°C). A coercive field of 10 kOe was measured for a Pt content as low as 25%at., eventhough the Co NRs anisotropic morphology was lost

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Verarbeitung und Gefüge Mn-Al basierter hartmagnetischer Werkstoffe sowie die Auswirkung des Gefüges auf deren Eigenschaften. Dabei wurde das Gefüge der metastabilen tau-Phase im Anschluss an die Phasenbildung aus der Hochtemperaturphase epsilon-MnAl und die Auswirkung einer anschließenden Umformung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Analyse der Evolution verschiedener Gefügebestandteile, wie Grenzflächenverteilung, Versetzungen und Korngröße unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung. Die epsilon-tau Umwandlung kann auf 2 verschiedene Routen erfolgen. In beiden Fällen wird die Bildung von 3 kristallographisch unterschiedlichen zwillingsähnlichen Defekten beobachtet, die als wahre Zwillinge, Ordnungszwillinge und Pseudozwillinge bezeichnet werden. Sie lassen sich als Rotationen um einen kristallographischen {111}-Pol beschreiben. Der Anteil der Zwillingsdefekte nach der Umwandlung, aber auch die Korngröße und Versetzungsdichte sind von der gewählten Umwandlungsroute abhängig. Während die Sättigungspolarisation annähernd gleich ist, reagiert die Koerzitivfeldstärke sensitiv auf den Gefügezustand. Eine niedrige Korngröße und hohe Versetzungsdichte tragen zu ihrer Erhöhung bei. Eine anschließende Kaltumformung erzeugt ein vielfach verzwillingtes Verformungsgefüge mit hoher Koerzitivfeldstärke. Wärmebehandlungen und die Analyse der Schärfe von Kikuchi-Beugungsbildern haben gezeigt, dass nicht die hohe Zwillingsdichte, sondern primär Versetzungen im Verformungsgefüge die Koerzitivfeldstärke steigern. Warmumformung von tau-MnAl führt zur dynamischen Rekristallisation. Die Kinetik der Gefügeneubildung und die resultierende Korngröße sind stark von der Umformtemperatur abhängig. Durch Umformung lässt sich eine kristallographische Texturierung von tau-MnAl erreichen. Die Orientierung der magnetisch leichten [001]-Richtung ist dabei vom gewählten Umformverfahren und gegebenenfalls von der Nachbehandlung abhängig. Statische und dynamische Rekristallisation reduzieren den Anteil der Zwillingsdefekte signifikant und besonders Pseudozwillinge und Ordnungszwillinge werden im Gefüge beseitigt. Das Rekristallisationsgefüge weist gegenüber dem Umwandlungsgefüge einen geringeren Widerstand gegen die mit der Zersetzungsreaktion verbundene Bildung von beta-Mn auf. Die Ursache liegt in einer selektiven beta-Mn-Bildung an allgemeinen Korngrenzen, während die Zwillingsdefekte einen erhöhten Widerstand gegen sie Zersetzung aufweisen.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Verarbeitung und Gefüge Mn-Al basierter hartmagnetischer Werkstoffe sowie die Auswirkung des Gefüges auf deren Eigenschaften. Dabei wurde das Gefüge der metastabilen tau-Phase im Anschluss an die Phasenbildung aus der Hochtemperaturphase epsilon-MnAl und die Auswirkung einer anschließenden Umformung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Analyse der Evolution verschiedener Gefügebestandteile, wie Grenzflächenverteilung, Versetzungen und Korngröße unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung. Die epsilon-tau Umwandlung kann auf 2 verschiedene Routen erfolgen. In beiden Fällen wird die Bildung von 3 kristallographisch unterschiedlichen zwillingsähnlichen Defekten beobachtet, die als wahre Zwillinge, Ordnungszwillinge und Pseudozwillinge bezeichnet werden. Sie lassen sich als Rotationen um einen kristallographischen {111}-Pol beschreiben. Der Anteil der Zwillingsdefekte nach der Umwandlung, aber auch die Korngröße und Versetzungsdichte sind von der gewählten Umwandlungsroute abhängig. Während die Sättigungspolarisation annähernd gleich ist, reagiert die Koerzitivfeldstärke sensitiv auf den Gefügezustand. Eine niedrige Korngröße und hohe Versetzungsdichte tragen zu ihrer Erhöhung bei. Eine anschließende Kaltumformung erzeugt ein vielfach verzwillingtes Verformungsgefüge mit hoher Koerzitivfeldstärke. Wärmebehandlungen und die Analyse der Schärfe von Kikuchi-Beugungsbildern haben gezeigt, dass nicht die hohe Zwillingsdichte, sondern primär Versetzungen im Verformungsgefüge die Koerzitivfeldstärke steigern. Warmumformung von tau-MnAl führt zur dynamischen Rekristallisation. Die Kinetik der Gefügeneubildung und die resultierende Korngröße sind stark von der Umformtemperatur abhängig. Durch Umformung lässt sich eine kristallographische Texturierung von tau-MnAl erreichen. Die Orientierung der magnetisch leichten [001]-Richtung ist dabei vom gewählten Umformverfahren und gegebenenfalls von der Nachbehandlung abhängig. Statische und dynamische Rekristallisation reduzieren den Anteil der Zwillingsdefekte signifikant und besonders Pseudozwillinge und Ordnungszwillinge werden im Gefüge beseitigt. Das Rekristallisationsgefüge weist gegenüber dem Umwandlungsgefüge einen geringeren Widerstand gegen die mit der Zersetzungsreaktion verbundene Bildung von beta-Mn auf. Die Ursache liegt in einer selektiven beta-Mn-Bildung an allgemeinen Korngrenzen, während die Zwillingsdefekte einen erhöhten Widerstand gegen sie Zersetzung aufweisen.

Strongly correlated metals are known to give rise to a variety of exotic states. In particular, if a system is tuned towards a quantum critical point, new ordered phases may arise. Sr₃Ru₂O₇ is a quasi-two dimensional metal in which field-tuned quantum criticality has been observed. In very pure single crystals of this material, a phase with unusual transport properties forms in the vicinity of its quantum critical point. Upon the application of a small in-plane field, electrical resistivity becomes anisotropic, a phenomenon which has led to the naming of this phase as an `electron nematic'. The subject of this thesis is a study of the electrical transport in high purity crystals of Sr₃Ru₂O₇. We modified an adiabatic demagnetisation refrigerator to create the conditions by which the entire temperature-field phase diagram can be explored. In particular, this allowed us to access the crossover between the low-temperature Fermi liquid and the quantum critical region. We also installed a triple axis `vector magnet' with which the applied magnetic field vector can be continuously rotated within the anisotropic phase. We conclude that the low- and high-field Fermi liquid properties have a complex dependence on magnetic field and temperature, but that a simple multiple band model can account for some of these effects, and reconcile the measured specific heat, dHvA quasiparticle masses and transport co-efficients. At high temperatures, we observe similarities between the apparent resistive scattering rate at critical tuning and those observed in other quantum critical systems and in elemental metals. Finally, the anisotropic phase measurements confirm previous reports and demonstrate behaviour consistent with an Ising-nematic, with the anisotropy aligned along either of the principal crystal axes. Our observations are consistent with the presence of a large number of domains within the anisotropic phase, and conclude that scattering from domain walls is likely to contribute strongly to the large measured anisotropy.

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