In this work, a 3-terminal capacitance dilatometer was set up and used for measurements of the thermal expansion and magnetostriction of novel superconducting iron pinictides and related materials. In particular, \re~with R\,=\,La, Ce, Pr, Sm, Gd, \laf~and Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ have been investigated. The data on polycrystalline \laf~are the first published thermal expansion data on this material. The lattice effects at the structural and the magnetic phase transition have been investigated and the phase diagram upon F-doping has been studied. A main result is the observation of a previously unknown fluctuation regime for the doping level $\mathnormal{x}\leqslant$ 0.04 over a large $T$ range above the structural transition temperature \ts. The absence of any structural anomalies in the normal state of the superconducting \laf~samples with $\mathnormal{x}\geqslant$ 0.05 corroborates the discontinuous character of the phase boundary not only for the magnetism but also for the structural degrees of freedom. Similarly, the presence of high-temperature fluctuations is found for all \re~undoped materials under study. The discussion of the probable origin of the fluctuations as well as the definition of the structural transition temperature \ts~are done. The low temperature features shown by the thermal expansion data for \re~are caused by the onset of long range magnetic order of the $4f$-moments and their different configurations. In particular, \pr, which has a very pronounced anomaly associated with Pr-ordering exhibits a large magnetostriction at low temperatures. By discussing this effect along with the magnetization, resistivity and other measurements, it is found that this large magneto-elastic effect may originate from the correlations between the momentum from Fe$^{3+}$ and Pr$^{3+}$. Last, the thermal expansion of Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ 122 single crystals is investigated. Ca(Fe$_{1-x}$Co$_x$)$_2$As$_2$ is one of the first materials where single crystals are available. The thermal expansion results on the undoped compound with $x=0$ show a large anomaly at the combined magnetic and structural transition which is far sharper than that for polycrystalline systems. Upon doping, both transitions are suppressed and their splitting is visible in the thermal expansion data. The high precision thermal expansion and magnetostriction results presented in this work are among the first data on the novel family of iron-based superconductors. A valuable insight in the respective ordering phenomena and the thermodynamic properties is provided.

The thesis work presented here emphasizes important aspects of crystal growth and the influence of chemical substitution in Fe-As superconductors. High temperature solution growth technique is one of most powerful and widely used technique to grow single crystals of various materials. The biggest advantage of high temperature solution growth technique is the, possibility of growing single crystals from both congruently and incongruently melting materials. Solution growth technique has the potential to control high vapour pressures, given the fact that, in Fe-based superconductors elements with high vapour pressure like As, K, Li and Na have to be handled during the crystal growth procedure. In this scenario high temperature solution growth is the best suitable growth technique to synthesize sizable homogeneous single crystals. Using self-flux high temperature solution growth technique, large centimeter-sized high quality single crystals of BaFe2As2 were grown. This pristine compound BaFe2As2 undergoes structural and magnetic transition at TS/N=137 K. By suppressing this magnetic transition and stabilizing tetragonal phase with chemical substitution, like Co-doping and Na-doping, bulk superconductivity is achieved. Superconducting transitions of as high as Tc = 34 K with Na substitution and Tc = 25 K with Co-doping were obtained. A combined electronic phase diagram has been achieved for both electron doping with Co and hole doping with Na in BaFe2As2. Single crystals of LiFe1−xCoxAs with x = 0, 0.025, 0.05 and 0.075 were grown by a self-flux high temperature solution growth technique. The charge doping in LiFeAs is achieved with the Co-doping in Fe atoms. The superconducting properties investigated by means of temperature dependent magnetization and resistivity revealed that superconductivity is shifted to lower temperatures and with higher amount of charge carriers superconductivity is killed. Single crystals of KFe2As2 were grown with two different fluxes, namely, FeAs-flux and KAs-flux. The superconducting transition is found to be at 3.8K in both the crystals. The influence of doping with selected elements like Na, Rh, Co and Cr has been investigated systematically in KFe2As2 single crystals. With Na-doping at the K-site, yield (K1−xNax)Fe2As2; superconductivity is suppressed to lower temperatures. Substitution of Co and Cr at Fe site, yield K(Fe0.95Co0.05)2As2, K(Fe0.95Cr0.05)2As2 superconductivity is rapidly killed. Single crystals of (Ba0.6Eu0.4)(Fe1−xCox)2As2 with x = 0, 0.05, 0.1, 0.15 and 0.2 were grown with solution growth technique using Fe-As flux and investigated with several physical measurements. The growth conditions are highly optimized to grow flux free large single crystals especially in case of BaFe2As2 family. The high quality of the crystals were revealed by several physical properties, for e.g. single crystals of Ba(Fe1−xCox)2As2 are of the highest quality which was confirmed by the magnetic ac susceptibility which showed a very sharp superconducting transition.

In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten aus dem nicht-supraleitenden BaFe2As2 (Ba122) auf eisengepufferten Spinell-Einkristallsubstraten mittels der gepulsten Laserdeposition abgeschieden, strukturell charakterisiert und auf ihre physikalischen Eigenschaften hin untersucht. Durch das kohärente Aufwachsen der Ba122-Schicht bis zu einer kritischen Dicke, d_c, kommt es zu einer tetragonalen Verzerrung der Ba122-Einheitszelle (nachgewiesen durch Röntgendiffraktometrie), die zu einer supraleitenden Phase führt. In Dünnschichten mit einer Dicke der Ba122-Schicht d_c < 30 nm sind zwei Bereiche der Supraleitung existent. Ab einer Temperatur von 35 K werden erste Zeichen einer supraleitenden Phase gemessen. Es wird gezeigt, dass im Bereich zwischen 35 K und 15 K fadenförmige Supraleitung in Bereichen mit leicht geringerem Spannungszustand vorliegt. Gefunden wird dies mithilfe von Messungen in einem Suszeptometer mit supraleitendem Quanteninterferenzdetektor (SQUID-MS), durch Elektronen-Rückstreu-Beugung sowie mittels des Vergleichs mit isovalent dotiertem Ba122. Die Übereinstimmung in den strukturellen Daten der Dünnschichten und von isovalent dotierten Einkristallen zeigt, dass die auf Eisen basierenden Supraleiter eine starke Abhängigkeit von den strukturellen Parametern besitzen und strukturelle Veränderungen großen Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften haben. Unterhalb von 15 K wird anhand von Transportmessungen und Messungen in einem SQUID-MS nachgewiesen, dass Massivsupraleitung vorliegt. Messbare kritische Stromdichten bestätigen das Vorliegen einer solchen Phase in der gesamten Probe. Die Untersuchung der Flusslinienverankerungseigenschaften der Phase unterhalb von 15 K belegt, dass in sehr dünnen Schichten von d <= 10 nm die magnetische Flusslinienverankerung existiert. Eine Vergrößerung der Schichtdicke führt zur Bildung von Defekten durch die Gitterfehlpassung zwischen Eisen- und Ba122-Schicht. Die Bildung dieser Defekte wird durch In-situ-Untersuchungen mittels Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion und Ex-situ-Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Atomkraftmikroskopie und Röntgendiffraktometrie nachgewiesen. Ab einer Dicke von ca. 30 nm fängt die Schicht an zu relaxieren. Eine Massivsupraleitungsphase kann in diesem Fall nicht mehr beobachtet werden. Eine weitere Vergrößerung der Dicke bis ca. 80 nm führt erneut zu nicht-supraleitenden Massivmaterialeigenschaften. Ein magnetischer Übergang wird bei ca. 140 K gemessen, wobei die Gitterparameter Massivmaterialeigenschaften aufweisen.

Tesis por compendio / [EN] The dimensionality of the system plays a decisive role in the behavior of the electronic dynamics of interacting electrons. In particular, the quasi-2D dimensionality is responsible for the unusual behavior observed in graphene-like materials and layered van-der-Waal systems. Moreover, such effects are also observed for superconducting materials of high critical temperature, even in the normal state, due to their low-dimensionality. The experimental study of graphene triggered a growing attention to respective electronic properties, because the honeycomb lattice defines a band structure with two nodal points in the Brillouin zone which determines a relativistic Dirac-type electronic dynamics. Within a theoretical framework, many properties of single-layer graphene have been studied to allow further characterization of this material. These properties are unconventional due to the unique band structure of graphene, which is described in terms of Dirac fermions, creating links with certain theories of particle physics. In fact, several theoretical groups have employed phenomenological models inspired in quantum cromodynamics (i.e. Nambu-Jona Lassino and Gross-Neveu models) applied to the study of graphene properties. These properties are responsible for the unusual phenomena, such as the fractional Hall effect, which allows the possibility for magnetic catalysis of an excitonic gap, ferromagnetism and superconductivity. The research of high critical temperature superconductors with impurity centers is significant for understanding the underlying physics of such disordered systems. While the cuprate family present insulating properties in the pristine state, the undoped iron pnictides (i.e. LaOFeAs) show a semi-metallic behavior. Inspite these diferences, both compounds are layered structures, where the superconducting state is supported by a quasi-2D square lattice. While for iron pnictides this state is formed by the FeAs layer, the cuprate superconducting state is formed by the CuO layer. The current work focuses on the theoretical study of the structural, electronic and optical properties of graphene-type materials, such as bilayer graphene; and also of s- and d-wave superconductors, more specifically iron pnictides and cuprates, respectively. Furthermore, disordered systems will be focused upon since these (quasi-)2D systems are quite sensitive to disorder. Such properties have major importance for technological device applications, as can be observed in the increasing technological fields of high temperature superconductores and electronic devices. The type of perturbations applied to the systems of interest are chemical impurities and/or external electric bias, and these show variations of the electronic and optical properties when compared to the pristine systems. / [ES] La dimensionalidad de un sistema juega un papel fundamental en la conducta de la dinámica de los electrones que interactúan. En particular, la dimensionalidad cuasi-2D es responsable del comportamiento inusual observado en materiales de tipo grafeno y sistemas laminares basados en enlaces de tipo van der Waals. Además, estos efectos también se observan en materiales superconductores de alta temperatura crítica, incluso en el estado normal, debido a su baja dimensionalidad. El estudio experimental del grafeno provocó una atención creciente a sus propie-dades electrónicas, porque su estructura en forma de panal de abejas da lugar a una estructura de bandas con dos puntos nodales en la zona de Brillouin que determina una dinámica electrónica relativista de tipo Dirac. En el plano teórico, muchas propiedades del grafeno de una sola capa se han estudiado para permitir una mayor caracterización de este material. Estas propiedades son poco convencionales debido a la singular estructura de bandas del grafeno, que se describe en términos de fermiones de Dirac, lo que crea vínculos con ciertas teorías de la física de partículas. De hecho, varios grupos teóricos han empleado modelos fenomenológicos inspirados en la cromodinámica cuántica (es decir, los modelos Nambu-Jona Lassino y Gross-Neveu) aplicados al estudio de las propiedades del grafeno. Estas propiedades son responsables de inusuales fenómenos, como el efecto Hall fraccionario, que permite la posibilidad de catálisis magnética de un gap excitónico, ferromagnetismo y superconductividad. La investigación de superconductores de alta temperatura crítica con centros de impurezas es importante para comprender la física subyacente de tales sistemas desordenados. Mientras que la familia de los cupratos presenta propiedades aislantes en estado prístino, los pnictogenuros de hierro sin dopar (es decir, LaOFeAs) muestran un comportamiento semimetálico. A pesar de estas diferencias, ambos compuestos son estructuras en capas, donde el estado superconductor está respaldado por una red cuadrada cuasi-2D. Mientras que para los pnictogenuros de hierro este estado está formado por la capa de FeAs, el estado superconductor de cuprato está formado por la capa de CuO. El presente trabajo se centra en el estudio teórico de las propiedades estructurales, electrónicas y ópticas de los materiales de tipo grafeno, como el grafeno bicapa; y también de superconductores de ondas s y d, más específicamente pnictogenuros y cupratos de hierro, respectivamente. Además, se hace hincapié en sistemas desordenados ya que estos sistemas (cuasi-)2D son bastante sensibles al desorden. Tales propiedades tienen gran importancia para aplicaciones de dispositivos tecnológicos, como se puede observar en la creciente tecnología campos de tensiotrónica y espintrónica. El tipo de perturbaciones aplicadas a los sistemas de interés son las impurezas químicas y campos eléctricos externos. Estas perturbaciones producen variaciones de las propiedades electrónicas y ópticas cuando se comparan con los sistemas prístinos. / [CAT] La dimensionalitat d'un sistema juga un paper fonamental en la conducta de la dinámica dels electrons que interactúen. En particular, la dimensionalitat cuasi-2D és responsable del comportament inusual observat a materials de tipus grafè i sistemes laminars basats en enllaços de tipus van der Waals. A més a més, aquestos efectes també s'observen a materials superconductors d'alta temperatura crítica, inclús al seu estat normal, degut a la seua baixa dimensionalitat. L'estudi experimental del grafè va produir una atenció creixent a les seues propietats electròniques, perque la seua estructura en forma de panal d'abelles dona lloc a una estructura de bandes amb dos punts nodals a la zona de Brillouin que determinen una dinámica electrónica relativista de tipus Dirac. Al planol teòric, moltes propietats del grafè d'una sola capa s'han estudiat per a permetre una major caracterizació d'aquest material. Aquestes propietat són poc convencionals degut a la singular estructura de bandes del grafè, que es descriu mitjançant fermions de Dirac. Aquestos fermions permeten establir víncles amb certes teories de la física de particles. De fet, alguns grups teòrics han empleat models fenomenològics inspirats a la cromodinàmica quàntica (es a dir, els models Nambu-Jona Lassino i Gross-Neveu) aplicats a l'estudi de les propietats del grafè. Aquestes propietats són responsables d'inusuals fenómens, com l'efecte Hall fraccionari, que permet la possibilitat de catálisi magnètica d'un gap excitònic, ferromagnetisme i superconductivitat. La investigació de superconductors d'alta temperatura crítica amb centres d'impureses és important per a comprendre la física subjacent de tals sistemes desordenats. Mentre que la família dels cuprats presenta propietats aïllants en estat pristí, els pnictogenurs de ferro sense dopar (és a dir, LaOFeAs) mostren un comportament semimetálico. Malgrat aquestes diferències, tots dos compostos són estructures en capes, on l'estat superconductor està recolzat per una xarxa quadrada quasi-2D. Mentre que per als pnictogenurs de ferro aquest estat està format per la capa de FeAs, l'estat superconductor dels cuprats està format per la capa de CuO. El present treball es centra en l'estudi teòric de les propietats estructurals, electròniques i òptiques dels materials de tipus grafè, com el grafè bicapa; i també de superconductors d'ones s i d, més específicament pnictogenurs i cuprats de ferro, respectivament. A més a més, es fa emfasi en sistemes desordenats ja que aquestos sistemes (cuasi-)2D són prou sensibles al desordre. Aquestes propietats tenen gran importància per a aplicacions de dispositius tecnològics, com es pot observar a la creixent tecnologia dels camps de la tensiotrònica i l'espintrònica. El tipus de pertorbacions aplicades als sistemes d'interés són les impureses químiques i els camps elèctrics externs. Aquestes pertorbacions produeixen variacions de les propietats electròniques i òptiques quan es comparen amb els sistemes pristins. / César Dos Santos, MJ. (2021). Effects of symmetry breaking in low dimensional materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176058 / TESIS / Compendio

Ziel dieser Arbeit war es, Beziehungen zwischen den kristallchemischen Eigenschaften und dem beobachteten anomalen Verhalten im spezifischen elektrischen Widerstand (nicht-magnetischer Kondo-Effekt) aufzuzeigen und zusammenhängend zu interpretieren. Verbindungen, an denen dieser Effekt beobachtet wurde, werden aus einem Übergangs-, oder Actinidmetall mit je einem Vertreter der 15. (Pniktogene) und 16. Gruppe (Chalkogene) des Periodensystems gebildet und kristallisieren im PbFCl-Strukturtyp. Da zu ternären Actinidmetall-Pniktid-Chalkogeniden (z.B. ThAsSe, UPS) nur sehr wenige chemische und kristallographische Informationen existieren, wurden in dieser Arbeit umfassende Untersuchungen zur Kristallchemie ternärer Phasen aus den Systemen M-Pn-Q (M = Zr, Hf, La-Ce; Pn = As, Sb; Q = Se, Te durchgeführt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der strukturellen Lokalisierung der beobachteten Widerstandsanomalie und der Erarbeitung chemisch-physikalischer Eigenschaftsbeziehungen. Die Darstellung der untersuchten ternären Phasen in Form von Einkristallen gelang über exothermen Chemischen Transport mit Jod. Da die erhaltenen Kristalle bis zu mehreren Millimetern groß sind, konnten an ein und demselben Kristallindividuum sowohl die stoffliche Charakterisierung (EDXS, WDXS, ICP-OES, LA-ICP-MS, CIC) und die strukturelle Charakterisierung, als auch die Messung der physikalischen Eigenschaften erfolgen. Es konnte u.a. gezeigt werden, dass ZrAs1,4Se0,5 und HfAs1,7Se0,2 ein ähnlich ungewöhnliches Verhalten im temperaturabhängigen elektrischen Widerstand zeigen, welches bereits an Thorium-Arsenid-Seleniden und Uran-Phosphid-Sulfiden beobachtet wurde. Desweiteren gelang es den beobachteten Verlauf im elektrischen Widerstand, mit seinem Minium bei etwa T = 15 K, auf intrinsische strukturelle Merkmale in der anionischen Arsen-Teilstruktur zurückzuführen. / The aim of this work was, to evaluate and interpret a relationship between the crystal-chemical properties and the observed unusual behavior in the electrical resistivity (non-magnetic Kondo-effect). Compounds, which show such an effect, are formed by a transition- or actinide-metal with both a group 15 element and a group 16 element of the periodic table. All these compounds crystallizing in the PbFCl type of structure. Because of less crystallographic and chemical information about actinide-metal-pnictide-chalcogenides (i.e. ThAsSe, UPS), intensive investigation were made concerning the crystal-chemistry of ternary phases of the systems M-Pn-Q (M = Zr, Hf, La-Ce; Pn = As, Sb; Q = Se, Te. Our studies were focused on the structurally localization of the observed anomaly in the electrical resistivity and the evaluation of chemical-physical relations of properties. The synthesis of the investigated ternary phases was realized by exothermically Chemical Transport with iodine as transport agent. The dimension of the synthesized crystals allowed a chemical (EDXS, WDXS, ICP-OES, LA-ICP-MS, CIC) and structurally characterization, as well as a determination of the physical properties on one large single crystal. It could be shown, that ZrAs1,4Se0,5 and HfAs1,7Se0,2 reveal a similar unusual behavior in the temperature dependent electrical resistivity, as it was observed in thorium-arsenide-selenides and uranium-phosphide-sulphides. In conclusion, the non-magnetic Kondo-effect, which was found in the low-temperature range (about 15 K), arises from structurally features of the anionic sublattice with arsenic.

The structure and magnetism of selected compounds of the pnictides iron based superconductors with chemical formula LnO{1-x}FeAsFx (Ln = La,Sm and Ce), commonly known as 1111, and of rare earth iron borates RFe3(BO3)4 (R = Tb, Gd, Nd and Y), were studied by means of hard x-ray diffraction. For the 1111 pnictides compounds, Rietveld refinement of powder x-ray diffraction measurements at room temperature reveals, that the ionic substitution of O by F has no effect on the structure of the FeAs layers of tetrahedra, whereas the major changes takes place in the LnO layer. These changes are reflected as a shrinkage of the crystal lattice, specially in the c direction. Additionally, a study of the temperature dependent structure of the Sm and Ce-1111 compounds was performed and an estimation of the the structural transition temperature was obtained. The results of the structural measurements, combined with electrical resistivity and µSR, were used to construct the Sm and Ce-1111 phase diagrams. These phase diagrams are characterized by two regions, consisting of a spin density wave (SDW) state and a superconducting state, which are sharply separated upon doping. Considering the different Ln ion, upon F doping the transition temperatures are more efficiently suppressed in Ce-1111 as compared to Sm-1111. More intriguingly, for the Ce case, a coexistence region between static magnetism and superconductivity without an orthorhombic distortion has been observed. Further analysis of the width of the Bragg peaks reveals strong lattice fluctuations towards phase transitions, which are reflected in magnetic and transport properties. Moreover, a strong damping of the lattice fluctuations is observed at Tc for superconducting Sm-1111 samples, giving experimental evidence of competing orders towards phase transitions in the iron pnictides. Regarding the iron borates, non-resonant x-ray scattering studies have shown several new diffraction features, from the appearance of additional reflections that violate the reflection conditions for the low temperature crystal structure, to the emerging of commensurate superlattice peaks that appear below TN. A detailed analysis of the structure factors and q dependencies of the earlier reflections, demonstrate their magnetic nature. Additional resonant x-ray magnetic scattering experiments on NdFe3(BO3)4 were performed at the Nd L2,3 and Fe K edges. The results show that the magnetization behavior is different for the Nd and for the Fe sublattices. Moreover, we find that the magnetization of the Nd sublattice is induced by the Fe magnetization. The temperature dependent measurements also show a commensurate to incommensurate transition where the magnetic structure changes from a commensurate collinear structure, where both Nd and Fe moments align in the hexagonal basal plane, to an incommensurate spin helix structure that propagates along c. When a magnetic field is applied, the spin helix is destroyed and a collinear structure is formed where the moments align in a direction perpendicular to the applied magnetic field. Moreover, the critical field at which the spin helix is destroyed is the same field at which the magnetic induced electric polarization is maximum, thus, showing that the spin helix is not at the origin of the electric polarization.

The recent discovery of high-temperature superconductivity in Fe-based materials triggered worldwide efforts to investigate their fundamental properties. Despite a lot of similarities to cuprates and MgB2, important differences like near isotropic behaviour in contrast to cuprates and the peculiar pairing symmetry of the order parameter (OP) have been reported. The OP symmetry of Fe-based superconductors (FBS) was theoretically predicted to be of so-called s± state prior to various experimental works. Still, most of the experimental results favour the s± scenario; however, definitive evidence has not yet been reported. Although no clear understanding of the superconducting mechanisms yet exists, potential applications such as high-field magnets and Josephson devices have been explored. Indeed, a lot of reports about FBS tapes, wires, and even SQUIDs have been published to this date. In this thesis, the feasibility of high-field magnet applications of FBS is addressed by studying their transport properties, involving doped BaFe2As2 (Ba-122) and LnFeAs(O,F) [Ln=Sm and Nd]. Particularly, it is important to study physical properties in a sample form (i.e. thin films) that is close to the conditions found in applications. However, the realisation of epitaxial FBS thin films is not an easy undertaking. Recent success in growing epitaxial FBS thin films opens a new avenue to delve into transport critical current measurements. The information obtained through this research will be useful for exploring high-field magnet applications. This thesis consists of 7 chapters: Chapter 1 describes the motivation of this study, the basic background of superconductivity, and a brief summary of the thin film growth of FBS. Chapter 2 describes experimental methods employed in this study. Chapter 3 reports on the fabrication of Co-doped Ba-122 thin films on various substrates. Particular emphasis lies on the discovery of fluoride substrates to be beneficial for epitaxy without compromising superconducting properties. It is worth mentioning, that a world record Tc of 28 K for Co-doped Ba-122 thin films is reported here. Chapter 4 describes high-field transport properties (up to dc 35 T) of epitaxial P-doped Ba-122 thin films prepared by MBE. Among the FBS, P-doped Ba-122 shows very high transport critical current densities, although the Tc is lower than for LnFeAs(O,F)[Ln=Sm and Nd]. Additionally, the film is microstructurally clean. These high Jc values are due to a high vortex line energy. Chapter 5 deals with transport properties of epitaxial SmFeAs(O,F) thin films. In the course of this work, a dc 45 T magnet has been used within collaboration with the National High Magnetic Field Laboratory at Tallahassee, FL, USA. SmFeAs(O,F) thin films have been prepared by molecular beam epitaxy (MBE). The investigated film shows a very high transport critical current density (Jc) of over 105 A/cm2 at 45T and 4.2K for both main crystallographic directions, which features favourable for high-field magnet applications. Additionally, by investigating the pinning properties, a dimensional crossover between the superconducting coherence length and the FeAs interlayer distance at 30-40K was observed. Chapter 6 reports on high-field transport properties of NdFeAs(O,F) thin films prepared by MBE. In this case, the transition from Abrikosov to Josephson vortices was observed around 20-30K. Additionally, the angular Jc data were scaled with the anisotropic GinzburgLandau approach. The obtained parameters at given temperature are observed to increase with decreasing temperature, which is different from Co-doped Ba-122. Chapter 7 summarises this work. / Die kürzliche Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitung in Fe-basierten Materialien löste weltweite Bemühungen aus, deren grundlegende Eigenschaften zu untersuchen. Neben vielen Gemeinsamkeiten mit den Kupraten und MgB2 sind wichtige Unterschiede wie nahezu isotropes Verhalten (im Gegensatz zu den Kupraten) und eine auffällige Paarungssymmetrie des Ordnungsparameters (OP) berichtet worden. Die OP-Symmetrie der Fe-basierten Supraleiter (FBS) wurde theoretisch als s± berechnet, noch bevor experimentelle Versuche unternommen wurden. Derzeit favorisieren experimentelle Ergebnisse das s±-Szenario, dennoch gibt es noch keine definitiven Nachweise. Obwohl noch kein komplettes Verständnis des supraleitenden Mechanismus existiert, wurden schon potentielle Anwendungen wie Josephson-Elemente und Hochfeldmagnete erforscht. In der Tat erschienen zahlreiche Veröffentlichungen über supraleitende Kabel, Bänder und auch SQUIDs. Diese Arbeit befasst sich mit der Durchführbarkeit von Hochfeld-Anwendungen durch die Untersuchung der Transporteigenschaften von FBS, namentlich Ba-122 und LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Es ist von großer Wichtigkeit, die physikalischen Eigenschaften in einer Probenform zu untersuchen, die der Form in Anwendungen nahekommt (z.B. Dünnschichten), um dieselben Rahmenbedingungen vorgeben zu können. Es ist jedoch nicht einfach, epitaktische FBS Dünnschichten zu realisieren. Kürzlich gewonnene Erkenntnisse in der Herstellung von epitaktischen FBS-Dünnschichten ermöglichen nun ein tieferes Eindringen in die Transporteigenschaften. Die in diesen Untersuchungen gewonnenen Informationen stellen somit wichtige Argumente in der Diskussion um Hochfeld Anwendungen dar. Diese Arbeit besteht aus sieben Kapiteln: Kapitel 1 beinhaltet die Motivation dieser Arbeit, die Grundlagen der Supraleitung und eine kurze Zusammenstellung der bisherigen Arbeiten zur Dünnschichtherstellung von FBS. Kapitel 2 beschreibt experimentelle Methoden, die im Zuge dieser Arbeit verwendet wurden. Kapitel 3 berichtet von der Herstellung Co-dotierter Ba-122 Dünnschichten (Co-Ba-122) auf verschiedenen Fluoridsubstraten. Dabei wurde Augenmerk darauf gelegt, neben einem verbesserten epitaktischen Wachstum der Dünnschichten die supraleitenden Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen. Anzumerken ist, dass in diesem Rahmen Tc-Rekord-Werte von 28 K in Co-Ba-122 erzielt werden konnten. Kapitel 4 beschreibt die Hochfeld-Transporteigenschaften epitaktisch gewachsener P-dotierter Ba-122 Dünnschichten, die durch MBE hergestellt wurden. Unter den FBS zeigt P-dotiertes Ba-122 enorm hohe kritische Transport-Stromdichten, obwohl das Tc niedriger ist als bei LnFeAs(O,F)[Ln=Sm und Nd]. Der Grund dafür konnte in der hohen Flusslinienkern-Energie des P-dotierten Ba-122 ermittelt werden. Kapitel 5 behandelt Transporteigenschaften von epitaktisch gewachsenen SmFeAs(O,F)-Dünnschichten. In diesem Zusammenhang wurde ein dc-45 T-Hochfeldmagnet in Zusammenarbeit mit dem National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, USA, genutzt. SmFeAs(O,F)-Dünnschichten wurden mit dem Molekularstrahl-Verfahren (MBE) hergestellt. Die Schichten zeigen sehr hohe kritische Transport-Stromdichten (Jc) von über 105 A/cm2 bei 45 T und 4.2 K für beide kristallographische Hauptrichtungen, parallel zur c-Achse und in der ab-Ebene. Diese Ergebnisse sehen sehr verheißungsvoll für eine Verwendung in Hochfeld-Anwendungen aus. Zusätzlich konnte durch die Untersuchung der Pinning-Eigenschaften ein Dimensionsübergang zwischen supraleitender Kohärenzlänge und FeAs-Ebenenabstand im Bereich 30-40 K beobachtet werden. Kapitel 6 berichtet über die Hochfeld-Transporteigenschaften von NdFeAs(O,F)-Dünnschichten, die mithilfe des MBE-Verfahrens hergestellt wurden. In diesem Falle konnte ein Ubergang von Abrikosov- zu Josephson-Flusslinien im Temperaturbereich 20-30 K beobachtet werden. Zusätzlich konnte die winkelabhängige kritische Stromdichte mit dem anisotropen Ginzburg-Landau-Ansatz skaliert werden. Die erhaltenen Parameter für verschiedene Temperaturen steigen mit fallender Temperatur. Dieses Verhalten ist gegensätzlich zu dem in Co-dotiertem Ba-122 gefundenen. Kapitel 7 gibt eine Zusammenfassung dieser Arbeit.

Electronic structure calculations constitute a valuable tool to predict the properties of materials. In this study we propose an efficient scheme to study correlated electron systems with essentially only one free parameter, the screening length of the Coulomb potential. A general reformulation of the exchange energy of the correlated electron shell is combined with this method in order to analyze the calculations. The results are interpreted in terms of different polarization channels, due to different multipoles. The method is applied to various actinide compounds, in order to increase the understanding of the complicate behaviour of 5f electrons in these systems. We studied the non-magnetic phase of δ-Pu, where the spin polarization is taken over by a spin-orbit-like term that does not break the time reversal symmetry. We also find that a non-trivial high multipole of the magnetization density, the triakontadipole, constitutes the ordering parameter in the mysterious hidden order phase of the heavy-fermion superconductor URu2Si2. This type of multipolar ordering is also found to play an essential role in the hexagonal-based superconductors UPd2Al3,  UNi2Al3 and UPt3 and in the dioxide insulators UO2, NpO2 and PuO2. The triakontadipole moments are also present in all magnetic actinides we considered, except for Cm. These results led us to formulate a new set of rules for the ground state of a system, that are valid in presence of strong spin-orbit coupling interaction instead of those of Hund; the Katt's rules. Finally, we applied our method to a new class of high-Tc superconductors, the Fe-pnictides, where the Fe 3d electrons are moderately correlated. In these materials we obtain the stabilization of a low spin moment solution, in agreement with experiment, over a large moment solution, due to the gain in exchange energy in the formation of large multipoles of the spin magnetization density. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 705

In dieser Arbeit werden Resultate elektronischer Transportmessungen von supraleitenden Eisenpniktiden und ferromagnetischen Heusler-Verbindungen diskutiert. Die Eisenpniktide sind eine neuartige Klassen von Hochtemperatursupraleitern, deren Eigenschaften sich aus einem Zusammenspiel von Supraleitung und Magnetismus ergeben. Während die sogenannten 122-Pniktide Antiferromagnetismus aufweisen und unter Dotierung in einen supraleitenden Zustand übergehen, konnte in dotiertem LiFeAs Ferromagnetismus beobachtet werden. Undotiert hingegen zeigt dieses Material interessante supraleitende Eigenschaften. Die Heusler-Verbindungen sind u.a. durch ihren Ferromagnetismus bekannt. Das hier untersuchte Co2FeSi ist einer der stärksten Ferromagnete. Der in diesem Material vorhergesagte vollständig spinpolarisierte elektronische Transport, d.h. alle Leitungselektronen besitzen den gleichen Spin, konnte nachgewiesen werden. Die hier genannten Eigenschaften können exzellent mit der Methode der elektronischen Transportmessungen untersucht werden. Deren Ergebnisse aus Messungen an Einkristallen werden in dieser Arbeit diskutiert. / In this work, results of electronic transport measurements are discussed for superconducting iron pnictides as well as for ferromagnetic Heusler compounds. The iron pnictides are a recently discovered class of high temperature superconductors where magnetism might play a crucial role. While the 122-pnictides show antiferromagnetism and migrate to the superconducting state upon doping, ferromagnetism has been observed in doped LiFeAs. On the other hand, in the undoped state this material shows interesting superconducting properties. Among other propierties, Heusler compounds are well known due to their ferromagnetism. Co2FeSi, which was investigated in this work, is one of the strongest ferromagnets. Beside this, one predicts this compound to be a half-metallic ferromagnet with completely spin polarized electronic transport where all conducting electrons have the same spin. The here addressed properties can well be investigated with the method of electronic transport measurements, whose results on single crystals are discussed in this work.

Eine Methode zur Variation der interatomaren Abstände eröffnet die epitaktische Abscheidung dünner Schichten. Dabei führt die Wahl eines geeigneten Substrates zu Spannungen in der Schichtebene. Im Gegensatz zu hydrostatischen Druckexperimenten an Massivproben ist die dadurch erzeugte biaxiale Verspannung des Kristallgitters von der Art der Probenherstellung abhängig und kann anschließend nicht mehr variiert werden. Werden für verschiedene Verspannungszustände das Substrat und die Präparationsparameter angepasst, beeinflusst dies gleichzeitig das Schichtwachstum. Aus den daraus resultierenden Schichteigenschaften lässt sich der Einfluss der Gitterdeformation nur schwer separieren, was die Vergleichbarkeit von verschiedenen Verspannungszuständen stark einschränkt. Aus diesem Grund konzentrieren sich bisherige Untersuchungen zur Dehnungsempfindlichkeit von supraleitenden Dünnschichten zumeist auf die phänomenologische Beschreibung der Ergebnisse, da sie nur schwer mit der Verspannung in Korrelation zu setzen sind. Da dieses Problem mit herkömmlichen Verfahren nicht zu lösen ist, werden in dieser Arbeit neue Verspannungstechniken auf supraleitende Dünnschichten angewendet und im Besonderen mit dem Fokus auf Fe-basierte Supraleiter untersucht. Zum einen kommen dazu piezoelektrische Substrate zum Einsatz, die eine biaxiale Verspannung der darauf abgeschiedenen Dünnschicht ermöglichen, indem die Gitterparameter des Substrates durch ein elektrisches Feld verändert werden. Zum anderen wird auf Grundlage flexibler Substrate mittels eines Biegeversuchs eine uniaxiale Gitterdeformation von Dünnschichten realisiert. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit die Anwendung der dynamischen Verspannung auf supraleitende Schichten für zwei wichtige Materialklassen demonstriert: die Kupferoxid-basierten Supraleiter und die Eisen-basierten Supraleiter. In beiden Fällen konnte ein epitaktisches Wachstum durch gezielte Anpassung der Pufferarchitektur erreicht werden. Im Fall der piezoelektrischen Substrate wurde der vollständige Übertrag der Verspannung in die Schicht nachgewiesen und die Temperaturabhängigkeit der induzierten Dehnung über verschiedene Verfahren ermittelt. Auf dieser Grundlage konnte die Dehnungsempfindlichkeit der supraleitenden Übergangstemperatur, die bisher nur durch statisch verspannte Schichten zugänglich war, näher untersucht werden. Zusätzlich erlaubte der Ansatz die Analyse der Vortexdynamik sowie des oberen kritischen Feldes. Es konnte materialübergreifend gezeigt werden, dass sich die Dehnungsempfindlichkeit der charakteristischen Übergangsfelder einheitlich beschreiben und sich dabei der Vortex-Glas-Flüssigkeits Übergang mit der Aktivierungsenergie korrelieren lässt.