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Stuttgart, Univ., Habil.-Schr., 2004.

In dieser Arbeit berichte ich von meinen Untersuchungen der Fermiflächen der topologischer Semimetalle PtGa, CoSi, CaAuAs und CaCdGe. Dazu habe ich die Quantenoszillationen der einkristallinen Proben mittels Drehmomentmagnetometrie gemessen und vergleiche die Resultate mit denen von Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen. Aus diesem Vergleich lassen sich die Bandstruktur und Fermiflächen verlässlich bestimmen und damit deren Topologie verifizieren. PtGa und CoSi kristallisieren in der Raumgruppe P213 (198) und sind damit chiral und nicht zentrosymmetrisch. Sie besitzen eine außergewöhnliche Bandstruktur-Topologie mit hochgradig entarteten Bandberührungspunkten und Bandberührungsflächen, welche empfindlich von der Spin-Bahn-Kopplung abhängt. PtGa unterliegt einer sehr starken Spin-Bahn-Kopplung, welche den experimentellen Nachweis der topologischen Ladung der Bandberührungspunkte ermöglichte. In CoSi ist die Spin-Bahn-Kopplung schwach, sodass ihre experimentelle Signifikanz bisher umstritten ist. In meinen Messungen zeigen beide Materialien eine deutliche Spinaufspaltung der Quantenoszillationsfrequenzen, welche die Auswirkung Spin-Bahn-Kopplung auch für CoSi nachweist. Die Übereinstimmungen der Resultate der Messungen mit denen der Bandstruktur-Rechnungen bestätigen zudem Bandstrukturen und ihre Topologie. CaAuAs und CaCdGe weisen gemäß Bandstruktur-Rechnungen ohne Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung Bandberührungslinien auf, welche durch die Spin-Bahn-Kopplung aufgespalten werden. Bei CaAuAs stimmen die Quantenoszillationsfrequenzen sehr gut mit den berechneten Frequenzen unter Beachtung der Spin-Bahn-Kopplung überein. Dies spricht gegen die Existenz von Bandberührungslinien und für ihre Aufspaltung zu Dirac-Punkten. CaCdGe weichen die berechneten und die gemessenen Ergebnisse zum Teil stark von einander ab, sodass Bandstruktur nicht klar bestimmt ist und weitere Untersuchungen notwendig sind.

Die Betrachtung von Schwere-Fermionen-Systemen stellt ein wichtiges Themengebiet im Bereich der Festkörperphysik dar. Das Verhalten von Schwere-Fermionen-Systemen wird durch die starken Korrelationen der magnetischen Momente der ungepaarten Spins der f-Elektronen bestimmt. Experimentell zugängliche Messgrößen sind dadurch bei tiefen Temperaturen stark erhöht, so dass sich diese Systeme besonders gut zur Untersuchung von Grundzustandseigenschaften eignen. Zentrales Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung zweier intermetallischer Seltenerd-Verbindungen in Bezug auf Quantenphasenübergänge. Diese treten am absoluten Nullpunkt der Temperatur als Funktion eines anderen Parameters wie Magnetfeld, Druck oder chemischer Substitution auf und sind bei endlicher Temperatur durch Abweichungen physikalischer Messgrößen von der durch L. D. Landau aufgestellten Theorie der Fermi-Flüssigkeiten nachzuweisen. Zu diesem Zweck wurden Tieftemperaturexperimente bis hinab zu 20mK und in Magnetfeldern bis zu 18T durchgeführt. Es wurden elektrischer Widerstand, magnetische Wechselfeldsuszeptibilität, Magnetostriktion und thermische Ausdehnung gemessen. / The investigation of heavy-fermion systems marks an important subject in the research field of solid state physics. The behaviour of heavy-fermion systems is dominated by the strong correlations of the magnetic moments of the unpaired f-electron spins. At low temperatures, experimentally accessible variables are strongly enhanced so that these systems are especially suited to analyse ground state properties. The central topic of this thesis is the investigation of two intermetallic rare-earth compounds with regard to quantum phase transitions. The latter occur at zero temperature as a function of parameters such as magnetic field, pressure or chemical substitution. They are traceable at finite temperature due to deviations of physical variables from the theory of Fermi liquids established by L. D. Landau. For this purpose, low-temperature experiments were performed down to 20mK and in magnetic fields up to 18T. Electrical resistivity, magnetic ac susceptibility, magnetostriction and thermal expansion were measured.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden de Haas-van Alphen-Untersuchungen an den nichtmagnetischen Borkarbidsupraleitern LuNi2B2C und YNi2B2C präsentiert. Aus den Quantenoszillationen in der normalleitenden Phase in Kombination mit Bandstrukturrechnungen konnten Informationen über die verzweigte Fermiflächenarchitektur und über die Elektron-Phonon-Kopplung der Borkarbide gewonnen werden. Die Kopplung ist stark anisotrop und fermiflächenabhängig. Dies spricht für einen Mehrbandmechanismus der Supraleitung in der Materialklasse. Zusätzlich konnten de Haas-van-Alphen-Oszillationen mehrerer Fermiflächen unterhalb von Bc2 tief in der Shubnikov-Phase beobachtet werden. Das Verhalten dieser Oszillationen lässt sich nicht mit bisher bekannten Theorien beschreiben. Allerdings weist das Bestehen der Oszillationen weit unterhalb von Bc2 auf ein Bestehen von elektronischen Zuständen in der Shubnikov-Phase hin.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden de Haas-van Alphen-Untersuchungen an den nichtmagnetischen Borkarbidsupraleitern LuNi2B2C und YNi2B2C präsentiert. Aus den Quantenoszillationen in der normalleitenden Phase in Kombination mit Bandstrukturrechnungen konnten Informationen über die verzweigte Fermiflächenarchitektur und über die Elektron-Phonon-Kopplung der Borkarbide gewonnen werden. Die Kopplung ist stark anisotrop und fermiflächenabhängig. Dies spricht für einen Mehrbandmechanismus der Supraleitung in der Materialklasse. Zusätzlich konnten de Haas-van-Alphen-Oszillationen mehrerer Fermiflächen unterhalb von Bc2 tief in der Shubnikov-Phase beobachtet werden. Das Verhalten dieser Oszillationen lässt sich nicht mit bisher bekannten Theorien beschreiben. Allerdings weist das Bestehen der Oszillationen weit unterhalb von Bc2 auf ein Bestehen von elektronischen Zuständen in der Shubnikov-Phase hin.

Die Betrachtung von Schwere-Fermionen-Systemen stellt ein wichtiges Themengebiet im Bereich der Festkörperphysik dar. Das Verhalten von Schwere-Fermionen-Systemen wird durch die starken Korrelationen der magnetischen Momente der ungepaarten Spins der f-Elektronen bestimmt. Experimentell zugängliche Messgrößen sind dadurch bei tiefen Temperaturen stark erhöht, so dass sich diese Systeme besonders gut zur Untersuchung von Grundzustandseigenschaften eignen. Zentrales Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung zweier intermetallischer Seltenerd-Verbindungen in Bezug auf Quantenphasenübergänge. Diese treten am absoluten Nullpunkt der Temperatur als Funktion eines anderen Parameters wie Magnetfeld, Druck oder chemischer Substitution auf und sind bei endlicher Temperatur durch Abweichungen physikalischer Messgrößen von der durch L. D. Landau aufgestellten Theorie der Fermi-Flüssigkeiten nachzuweisen. Zu diesem Zweck wurden Tieftemperaturexperimente bis hinab zu 20mK und in Magnetfeldern bis zu 18T durchgeführt. Es wurden elektrischer Widerstand, magnetische Wechselfeldsuszeptibilität, Magnetostriktion und thermische Ausdehnung gemessen. / The investigation of heavy-fermion systems marks an important subject in the research field of solid state physics. The behaviour of heavy-fermion systems is dominated by the strong correlations of the magnetic moments of the unpaired f-electron spins. At low temperatures, experimentally accessible variables are strongly enhanced so that these systems are especially suited to analyse ground state properties. The central topic of this thesis is the investigation of two intermetallic rare-earth compounds with regard to quantum phase transitions. The latter occur at zero temperature as a function of parameters such as magnetic field, pressure or chemical substitution. They are traceable at finite temperature due to deviations of physical variables from the theory of Fermi liquids established by L. D. Landau. For this purpose, low-temperature experiments were performed down to 20mK and in magnetic fields up to 18T. Electrical resistivity, magnetic ac susceptibility, magnetostriction and thermal expansion were measured.

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Dans cette thèse, les domaines diamagnétiques appelés « domaines de Condon » sont étudiés. L'origine de ces domaines est la quantification des états d'énergie des électrons soumis à un champ magnétique en niveaux de Landau conduisant à l'effet de Haas-van Alphen (dHvA). Pour la première fois, la structure magnétique des domaines de Condon est détectée à la surface d'un échantillon en argent à l'aide d'une sonde locale de l'aimantation. Pour ce faire, un réseau contenant cinq microsondes de Hall ayant une résolution spatiale d'une dizaine de micromètres et une résolution magnétique de 1e-4 est utilisé. La période de la structure des domaines et l'épaisseur des parois sont estimées. L'hystérèse est observée dans l'effet dHvA en présence de domaines de Condon. La boucle d'hystérèse est détectée par les sondes de Hall DC et par des mesures standard de susceptibilité AC. La détection de l'hystérèse par la technique AC offre une méthode très sensible avec laquelle les diagrammes de phase des domaines de Condon sont déterminés pour un échantillon d'argent et pour un échantillon de béryllium.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-03-15T12:16:24Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5169144 bytes, checksum: 66d534e3f0c0c59bf5d35a45290fa390 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-15T12:16:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5169144 bytes, checksum: 66d534e3f0c0c59bf5d35a45290fa390 (MD5) Previous issue date: 2015-02-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this thesis, we propose an experimental setup for the study of Landau quantization and associated effects in a two-dimensional ultracold atomic gas. Gauge fields can emerge in the equation of motion for the optically addressed ultracold atoms. To this end, spatially dependent dark states are necessary for the internal states of the atoms. A tripod level scheme yields two degenerate dark states which can leads to either an Abelian U(1) U(1) gauge field or a non-Abelian SU(2) gauge field. Using a suitable laser configuration, we obtain a uniform U(1) U(1) magnetic field which causes the atoms organize themselves in Landau levels. The strength of the effective magnetic field depends on the relative intensity of the lasers beams at the atomic cloud. We estimate the degeneracy of the energy levels for an atomic gas formed by atoms of 87Rb. In addition, we establish the experimental conditions to reach the lowest Landau level regime. In the zero-temperature limit, we realize the emergence of magnetic oscillations in the atomic energy and its derivative as function of the inverse of the effective magnetic field (de Haas van Alphen effect). The period of the de Haas van Alphen oscillation allow us to determine area of the Fermi circle for the atomic gas via an Onsager-like relation. We also show that detuning the a laser from the two-photon resonance we generate a parabolic scalar potential that laterally confines the atoms. As a consequence, the Landau levels degeneracy is removed, since the energy spectrum depends explicitly on the transverse atomic momentum. We show that the Landau levels presents a reminiscent degeneracy when the boundaries conditions are considered. The residual degeneracy occurs when different energy levels overlap. We map the residual degeneracy points as a function of the effective magnetic field. Finally, we present an experimental scheme for observing the spin Hall effect for ultracold atoms in a tripod configuration. / Nesta tese, propomos um arranjo experimental para o estudo da quantização de Landau e efeitos associados em um gás atômico ultrafrio bidimensional. Campos de calibre podem surgir na equação de movimento para átomos ultrafrios oticamente vestidos. Para que isto ocorra, estados escuros espacialmente dependentes são necessários a partir dos estados internos dos átomos. Átomos numa configuração de níveis de energia do tipo tripod produzem dois estados escuros degenerados, que podem levar a campos de calibre Abelianos U(1) U(1) ou não-Abelianos SU(2). Utilizando uma configuração adequada de lasers, mostramos que é possível se produzir um campo magnético sintético uniforme U(1) U(1) que atua nos átomos neutros fazendo-os se organizarem em níveis de Landau. A intensidade do campo efetivo depende da intensidade relativa dos feixes de luz na nuvem atômica. Estimamos a degenerescência dos níveis de energia para um gás atômico formado por átomos de 87Rb e estabelecemos as condições experimentais para que seja atingido o regime em que todos os átomos populam unicamente o nível de Landau menos energético. Considerando o limite de temperatura nula, verificamos o surgimento de oscilações magnéticas na energia e em sua derivada como uma função do inverso do campo magnético efetivo (efeito de Haas van Alphen). O período da oscilação magnética nos permite determinar a área do círculo de Fermi para o gás atômico através de uma expressão similar a de Onsager para sistemas eletrônicos. Mostramos também que dessintonizando um dos lasers em relação à ressonância de dois fótons geramos um potencial escalar parabólico que faz com os átomos sejam lateralmente confinados. Isto resulta na remoção da degenerescência dos níveis de Landau, uma vez que a energia depende explicitamente do momento atômico transverso. Demonstramos que, aplicando condições periódicas de contorno ao sistema, temos o surgimento de uma degenerescência residual. A degenerescência remanescente ocorre quando diferentes níveis de energia se superpõem. Mapeamos os pontos de degenerescência como uma função do campo magnético efetivo. Por fim, apresentamos um esquema experimental para a observação do efeito spin Hall para átomos ultrafrios em uma configuração tripod.