The idea of miniaturizing devices down to the nanoscale where quantum ffeffects become relevant demands a detailed understanding of the interplay between classical and quantum properties. Therefore, characterization of newly produced nanoscale materials is a very important part of the research in this fifield. Studying structural and magnetic properties of nano- and molecular magnets and the interplay between these properties reveals new interesting effects and suggests ways to control and optimize the respective material. The main task of this thesis is investigating the magnetic properties of molecular magnetic clusters and magnetic nanoparticles recently synthesized by several collaborating groups. This thesis contains two main parts focusing on each of these two topics. In the first part the fundamental studies on novel metal-organic molecular complexes is presented. Several newly synthesized magnetic complexes were investigated by means of different experimental techniques, in particular, by electron spin resonance spectroscopy. Chapter 1 in this part provides the theoretical background which is necessary for the interpretation of the effects observed in single molecular magnetic clusters. Chapter 2 introduces the experimental techniques applied in the studies. Chapter 3 contains the experimental results and their discussion. Firstly, the magnetic properties of two Ni-based complexes are presented. The complexes possess different ligand structures and arrangements of the Ni-ions in the metal cores. This difffference dramatically affffects the magnetic properties of the molecules such as the ground state and the magnetic anisotropy. Secondly, a detailed study of the Mn2Ni3 single molecular magnet is described. The complex has a bistable magnetic ground state with a high spin value of S = 7 and shows slow relaxation and quantum tunnelling of the magnetization. The third section concentrates on a Mn(III)-based single chain magnet showing ferromagnetic ordering of the Mn-spins and a strong magnetic anisotropy which leads to a hysteretic behavior of the magnetization. The last section describes a detailed study of the static and dynamic magnetic properties of three Mn-dimer molecular complexes by means of static magnetization, continuous wave and pulse electron spin resonance measurements. The results indicate a systematic dependence of the magnetic properties on the nearest ligands surrounding of the Mn ions. The second part of the thesis addresses magnetic properties of nano-scaled magnets such as carbon nanotubes fifilled with magnetic materials and carbon-coated magnetic nanoparticles. These studies are eventually aiming at the possible application of these particles as agents for magnetic hyperthermia. In this respect, their behavior in static and alternating magnetic fifields is investigated and discussed. Moreover, two possible hyperthermia applications of the studied magnetic nanoparticles are presented, which are the combination of a hyperthermia agents with an anticancer drug and the possibility to spatially localize the hyperthermia effffect by applying specially designed static magnetic fifields.

Die Elektronenspinresonanz (ESR) untersucht die im quasistatischen Magnetfeld resonante Absorption eines an die Probe angelegten Mikrowellenmagnetfeldes. Es wurde das System Yb1-w A1-w (Rh1-x Cox)2 (Si1-y Gey) 2 mit A=La, bzw. Lu, sowie das System YbIr2Si2 mittels ESR untersucht. Unter Kondo-Wechselwirkung vieler Leitungselektronen mit einem lokalen 4f-Moment des Kondo-Ions bildet sich ein nicht-magnetisches Grundzustands-Singlett, was zur Abschirmung des magnetischen Moments führt. YbRh2Si2 ist das erste Schwere-Fermionen-System mit Kondo-Ionen, das ohne Dotierung zusätzlicher ESR-Sonden ein ESR-Signal unterhalb der Kondo-Temperatur aufweist. Es zeigt sich, dass das ESR-Signal nicht mittels gängiger ESR-Theorien konsistent beschrieben werden kann. Die Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit angestellt wurden, flossen in die Entwicklung von weiterführenden Theorien (z.B. [1], [2]) ein. Die Temperaturabhängigkeit des ESR-g-Faktors konnte damit erfolgreich beschrieben werden, womit erstmals der Nachweis einer Kondo-Wechselwirkung in Kondo-Gitter-Systemen mittels ESR gelang. Ferner konnte die Bedeutung von ferromagnetischen Fluktuationen für eine kleine, beobachtbare Linienbreite beschrieben werden. Der ESR-Methode ist somit die Kondo-Spindynamik direkt zugänglich. Dieser Zugang ist neu und einzigartig, denn andere Methoden (NMR, inelastische Neutronenstreuung) charakterisieren die Kondo-Spindynamik auf indirekte Weise. [1] P. Wölfle und E. Abrahams. Phenomenology of esr in heavy-fermion systems: Fermi-liquid und nicht-fermi-liquid regimes Phys. Rev. B, 80(23): 235112, 2009. [2] B. I. Kochelaev, S. I. Belov, A. M. Skvortsova, A. S. Kutusov, J. Sichelschmidt, J. Wykhoff, C. Geibel und F. Steglich. Why could electron spin resonance be observed in a heavy fermion kondo lattice? Eur. Phys. J. B, 72(4): 485, 2009.

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

In der eingereichten Dissertation wird eine Reihe von niederdimensionalen und frustrierten magnetischen Systemen mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (ESR) untersucht, um deren magnetische Eigenschaften und Wechselwirkungen zu charakterisieren. Sowohl niederdimensionale als auch frustrierte Systeme können exotische magnetische Phänomene zeigen, da es in beiden Fällen trotz starker magnetischer Korrelationen zu einer Unterdrückung von konventioneller langreichweitiger magnetischer Ordnung kommen kann. Auf der anderen Seite sind zweidimensionale Systeme wie Graphen und die damit verwandten topologischen Isolatoren interessant für Anwendungen in der Spintronik oder in Quantencomputern. Über das Einbringen von magnetischer Ordnung soll dabei die Kontrolle über den Spin von Elektronen erlangt werden. Es werden quasieindimensionale Spinketten in Cu(py)2Br2 untersucht, die ein gutes Modellsysteme für den Vergleich mit exakten theoretischen Berechnungen darstellen. Durch eingehende ESR-Messungen ist es gelungen, ein Modell für die Ausrichtung der Anisotropieachse zu entwickeln, die senkrecht zur Kettenachse steht. Zusätzlich zum g-Tensor konnten durch Magnetisierungsmessungen das Austauschintegral und dessen Anisotropie bestimmt werden. Die Austauschwechselwirkung kann über die Substitution von Br- mit Cl-Ionen in Cu(py)2(Cl1-xBrx)2 gezielt variiert werden. Des Weiteren wird eine kombinierte Studie aus STM- und ESR-Untersuchungen an monolagigem Graphen mit induzierten Fehlstellen vorgestellt. Es wurden Defekte durch den Beschuss mit Ar-Ionen in Graphen kontrolliert hergestellt, deren lokale elektronische Eigenschaften sich mit STM- und STS-Messungen charakte-risieren lassen. Mit ESR-Messungen konnte gezeigt werden, dass die an den einzelnen Fehlstellen lokalisierten magnetischen Momente eine dominant antiferromagnetische Austauschwechselwirkung besitzen. Die Charakterisierung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen lokalisierten Momenten stand auch für den mit Mn dotierten topologischen Isolator Bi2Te3 im Vordergrund, welcher einen ferromagnetischen Phasenübergang bei tiefen Temperaturen zeigt. Anhand des mit ESR beobachteten Korringa-Verhaltens wurde bewiesen, dass die lokalisierten Mn-Spins an leitende Bänder gekoppelt sind und die ferromagnetische Ordnung folglich per RKKY-Wechselwirkung vermittelt wird. Es wurden kurzreichweitige magnetische Korrelationen in einem ausgedehnten Temperaturbereich oberhalb der Ordnungstemperatur beobachtet, die Hinweise auf einen zweidimensionalen Charakter zeigen. Ausgedehnte Temperaturbereiche mit kurzreichweitigen Korrelationen werden ebenfalls in den untersuchten magnetisch frustrierten Materialien beobachtet. In einer kombinierten Studie aus HF-ESR, NMR und µSR wird die Spindynamik in CoAl2O4 charakterisiert, in dem moderate Unordnung zu einem Verschwimmen der Phasengrenze zwischen Neél-Ordnung und einer Spinflüssigkeit mit spiralförmigen Korrelationen führt. Außerdem werden zwei Vertreter aus der Klasse der Swedenborgite behandelt, in denen die Spinstruktur in YBaCo4O7 durch Substitution modifiziert wird. Ziel ist die Entkopplung der enthaltenen Kagome-Schichten, welche ein zweidimensionales frustriertes System darstellen. In den vorgestellten HF-ESR- und NMR-Messungen beobachtet man ein Spinglasverhalten für YBaCo3AlO7, das aus der Unordnung bei der Besetzung der Gitterplätze resultiert. In YBaCo3FeO7 ist die Unordnung geringer und mit ESR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es zu einer effektiven Entkopplung der Fe-Spins zwischen den Kagome-Schichten kommt.

In der eingereichten Dissertation wird eine Reihe von niederdimensionalen und frustrierten magnetischen Systemen mit Hilfe der Elektronenspinresonanz (ESR) untersucht, um deren magnetische Eigenschaften und Wechselwirkungen zu charakterisieren. Sowohl niederdimensionale als auch frustrierte Systeme können exotische magnetische Phänomene zeigen, da es in beiden Fällen trotz starker magnetischer Korrelationen zu einer Unterdrückung von konventioneller langreichweitiger magnetischer Ordnung kommen kann. Auf der anderen Seite sind zweidimensionale Systeme wie Graphen und die damit verwandten topologischen Isolatoren interessant für Anwendungen in der Spintronik oder in Quantencomputern. Über das Einbringen von magnetischer Ordnung soll dabei die Kontrolle über den Spin von Elektronen erlangt werden. Es werden quasieindimensionale Spinketten in Cu(py)2Br2 untersucht, die ein gutes Modellsysteme für den Vergleich mit exakten theoretischen Berechnungen darstellen. Durch eingehende ESR-Messungen ist es gelungen, ein Modell für die Ausrichtung der Anisotropieachse zu entwickeln, die senkrecht zur Kettenachse steht. Zusätzlich zum g-Tensor konnten durch Magnetisierungsmessungen das Austauschintegral und dessen Anisotropie bestimmt werden. Die Austauschwechselwirkung kann über die Substitution von Br- mit Cl-Ionen in Cu(py)2(Cl1-xBrx)2 gezielt variiert werden. Des Weiteren wird eine kombinierte Studie aus STM- und ESR-Untersuchungen an monolagigem Graphen mit induzierten Fehlstellen vorgestellt. Es wurden Defekte durch den Beschuss mit Ar-Ionen in Graphen kontrolliert hergestellt, deren lokale elektronische Eigenschaften sich mit STM- und STS-Messungen charakte-risieren lassen. Mit ESR-Messungen konnte gezeigt werden, dass die an den einzelnen Fehlstellen lokalisierten magnetischen Momente eine dominant antiferromagnetische Austauschwechselwirkung besitzen. Die Charakterisierung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen lokalisierten Momenten stand auch für den mit Mn dotierten topologischen Isolator Bi2Te3 im Vordergrund, welcher einen ferromagnetischen Phasenübergang bei tiefen Temperaturen zeigt. Anhand des mit ESR beobachteten Korringa-Verhaltens wurde bewiesen, dass die lokalisierten Mn-Spins an leitende Bänder gekoppelt sind und die ferromagnetische Ordnung folglich per RKKY-Wechselwirkung vermittelt wird. Es wurden kurzreichweitige magnetische Korrelationen in einem ausgedehnten Temperaturbereich oberhalb der Ordnungstemperatur beobachtet, die Hinweise auf einen zweidimensionalen Charakter zeigen. Ausgedehnte Temperaturbereiche mit kurzreichweitigen Korrelationen werden ebenfalls in den untersuchten magnetisch frustrierten Materialien beobachtet. In einer kombinierten Studie aus HF-ESR, NMR und µSR wird die Spindynamik in CoAl2O4 charakterisiert, in dem moderate Unordnung zu einem Verschwimmen der Phasengrenze zwischen Neél-Ordnung und einer Spinflüssigkeit mit spiralförmigen Korrelationen führt. Außerdem werden zwei Vertreter aus der Klasse der Swedenborgite behandelt, in denen die Spinstruktur in YBaCo4O7 durch Substitution modifiziert wird. Ziel ist die Entkopplung der enthaltenen Kagome-Schichten, welche ein zweidimensionales frustriertes System darstellen. In den vorgestellten HF-ESR- und NMR-Messungen beobachtet man ein Spinglasverhalten für YBaCo3AlO7, das aus der Unordnung bei der Besetzung der Gitterplätze resultiert. In YBaCo3FeO7 ist die Unordnung geringer und mit ESR-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass es zu einer effektiven Entkopplung der Fe-Spins zwischen den Kagome-Schichten kommt.

ECF (Energy-Coupling Factor)-Transporter sind prokaryotische Aufnahmesysteme für Mikronährstoffe, die eine spezielle Gruppe von Transportern mit ATP-Bindekassette (ABC) darstellen. Sie beinhalten zwei asymmetrische Membranproteine, von denen eins (S) für die spezifische Bindung und Translokation des Substrates und das andere (T) für die Kopplung mit den ATPasen (A1,A2) zuständig ist. Bei ECF-Transportern der Subklasse I bilden diese Komponenten eine Einheit, während bei Vertretern der Subklasse II ein AAT-Modul mit wechselnden S-Einheiten interagiert. In der vorliegenden Arbeit wurde der Transportmechanismus, der eine Drehung der kompletten S-Einheit in der Membran beinhaltet, anhand des Biotintransporters BioMNY erstmals experimentell validiert. Durch Rekonstitution in Lipid-Nanodiscs, chemische Quervernetzung, fluoreszenz- und ESR-spektroskopische Techniken sowie einen Bindungstest mit radioaktivem Biotin wurde gezeigt, dass (i) die ATP-Bindung an die ATPasen zu einer Aufrichtung der S-Einheit (BioY) führt, (ii) diese Bewegung die Substratbeladung ermöglicht und (iii) BioY dabei ununterbrochen mit der T-Einheit (BioN) interagiert. Dies stellt einen Gegensatz zu Systemen der Subklasse II dar, für die ein ATP-abhängiger Austausch von S-Einheiten im Transportzyklus gezeigt worden war. Darüber hinaus wurde ein Escherichia coli-Stamm konstruiert, der durch Blockierung seines hochaffinen Biotintransporters und des -synthesewegs auf Spuren von Biotin nicht wachsen kann. Dieser Stamm ermöglichte einen eindeutigen Nachweis der Transportaktivität einiger solitärer BioY-Proteine. Aufgrund der einheitlichen Topologie von S-Einheiten ist ein Kippen auch für solitäre BioY-Varianten wahrscheinlich. Auch die metallspezifischen S-Einheiten CbiM und NikM besitzen ohne AAT-Modul eine basale Co2+- bzw. Ni2+-Transportaktivität. Ein ESR-spektroskopischer Kobaltnachweises zeigte, dass die aus nur zwei Membranhelices bestehende CbiN-Einheit für die Metallbeladung von CbiM essentiell ist. / ECF (Energy-Coupling Factor) transporters are a subgroup of ABC transporters that mediate uptake of micronutrients into prokaryotic cells. In contrast to canonical ABC importers, ECF transporters comprise two unrelated membrane proteins, one of which is responsible for specific and high affinity substrate binding (S) and the other one constitutes the coupling component (T) between S and the cytosolic ABC-ATPases (A1,A2). Subclass I transporters consist of four dedicated components whereas in subclass II transporters, a central AAT-module may interact with various S units. The biotin specific subclass I ECF transporter BioMNY was used to experimentally verify the hitherto hypothetic transport mechanism, which involves a rotation of the S unit within the membrane. With a series of experiments including reconstitution of BioMNY into lipid nanodiscs, site-specific cross-linking, a substrate binding assay with radioactive biotin and both fluorescence and EPR spectroscopic techniques, the ATP-dependent rotation of BioY (S) as a prerequisite for substrate binding and release was shown for the first time for an ECF transporter. Unlike subclass II transporters, for which an ATP-dependent release of the S unit was proposed, BioY interacts continuously with BioN (T) during the transport cycle. In a second focus of the work, an Escherichia coli reporter strain for biotin transporters was constructed. Due to inactivation of both biotin synthesis and the intrinsic high affinity biotin transporter, this strain was not capable of growing on trace amounts of biotin. With the use of this strain, transport activity of recombinantly produced solitary BioY proteins that naturally lack other ECF components was evidenced. Transport activity in the absence of AAT modules is also a feature of the Co2+ and Ni2+ specific S components CbiM and NikM. An EPR spectroscopic Co2+ detection assay helped underscoring the essential role of the small membrane protein CbiN for Co2+ loading of CbiM.

Treatment of the diethyl ester of o-phenylenebis(oxamic acid) (opbaH2Et2, 1) with 5/6 equivalent of MeNH2 in abs. EtOH results in the exclusive formation of the ethyl ester of o-phenylene(N′-methyl oxamide)(oxamic acid) (opooH3EtMe, 2) in ca. 50% yield. Treatment of 2 with four equivalents of [Me4N]OH followed by the addition of Cu(ClO4)2·6H2O gave [Me4N]2[Cu(opooMe)]·H2O (3A) in ca. 80% yield. As 3A appears to be a hygroscopic solid, the related [nBu4N]+ salts [nBu4N]2[M(opooMe)]·H2O (M = Cu (3B), Ni (4)) have been synthesized. By addition of two equivalents of [Cu(pmdta)(NO3)2] to a MeCN solution of 3B the novel asymmetric trinuclear complex [Cu3(opooMe)(pmdta)2](NO3)2 (5) could be obtained in ca. 90% yield. Compounds 2, 3A, 3B, 4 and 5 have been characterized by elemental analysis and NMR/IR spectroscopy. Furthermore, the solid state structures of 3A in the form of [Me4N]2[Cu(opooMe)]·MeOH (3A′), 3B in the form of [nBu4N]2[Cu(opooMe)] (3B′), 4 in the form of [nBu4N]2[Ni(opooMe)]·1.25H2O (4′) and 5 in the form of [Cu3(opooMe)(pmdta)2] (NO3)2·3MeCN (5′), respectively, have been determined by single-crystal X-ray diffraction studies. By controlled cocrystallization, diamagnetically diluted 3B (1%) in the host lattice of 4 (99%) in the form of single crystals have been made available, allowing single crystal EPR studies to extract all components of the g-factor and the tensors of onsite CuA and transferred NA hyperfine interaction. Out of these studies the spin density distribution of the [Cu(opooMe)]2− complex fragment could be determined. The magnetic properties of 5 were studied by susceptibility measurements versus temperature. An intramolecular J parameter of −65 cm−1 has been obtained, unexpectedly, as 5 should possess two different J values due to its two different spacers between the adjacent CuII ions, namely an oxamate (C2NO3) and an oxamidate (C2N2O2) fragment. This unexpected result is explained by a summarizing discussion of the experimentally obtained EPR results (spin density distribution) of 3B, the geometries of the terminal [Cu(pmdta)]2+ fragments of 5 determined by X-ray crystallographic studies and accompanying quantum chemical calculations of the spin density distribution of the mononuclear [Cu(opooMe)]2− and of the magnetic exchange interactions of trinuclear [Cu3(opooMe)(pmdta)2]2+ complex fragments. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Treatment of the diethyl ester of o-phenylenebis(oxamic acid) (opbaH2Et2, 1) with 5/6 equivalent of MeNH2 in abs. EtOH results in the exclusive formation of the ethyl ester of o-phenylene(N′-methyl oxamide)(oxamic acid) (opooH3EtMe, 2) in ca. 50% yield. Treatment of 2 with four equivalents of [Me4N]OH followed by the addition of Cu(ClO4)2·6H2O gave [Me4N]2[Cu(opooMe)]·H2O (3A) in ca. 80% yield. As 3A appears to be a hygroscopic solid, the related [nBu4N]+ salts [nBu4N]2[M(opooMe)]·H2O (M = Cu (3B), Ni (4)) have been synthesized. By addition of two equivalents of [Cu(pmdta)(NO3)2] to a MeCN solution of 3B the novel asymmetric trinuclear complex [Cu3(opooMe)(pmdta)2](NO3)2 (5) could be obtained in ca. 90% yield. Compounds 2, 3A, 3B, 4 and 5 have been characterized by elemental analysis and NMR/IR spectroscopy. Furthermore, the solid state structures of 3A in the form of [Me4N]2[Cu(opooMe)]·MeOH (3A′), 3B in the form of [nBu4N]2[Cu(opooMe)] (3B′), 4 in the form of [nBu4N]2[Ni(opooMe)]·1.25H2O (4′) and 5 in the form of [Cu3(opooMe)(pmdta)2] (NO3)2·3MeCN (5′), respectively, have been determined by single-crystal X-ray diffraction studies. By controlled cocrystallization, diamagnetically diluted 3B (1%) in the host lattice of 4 (99%) in the form of single crystals have been made available, allowing single crystal EPR studies to extract all components of the g-factor and the tensors of onsite CuA and transferred NA hyperfine interaction. Out of these studies the spin density distribution of the [Cu(opooMe)]2− complex fragment could be determined. The magnetic properties of 5 were studied by susceptibility measurements versus temperature. An intramolecular J parameter of −65 cm−1 has been obtained, unexpectedly, as 5 should possess two different J values due to its two different spacers between the adjacent CuII ions, namely an oxamate (C2NO3) and an oxamidate (C2N2O2) fragment. This unexpected result is explained by a summarizing discussion of the experimentally obtained EPR results (spin density distribution) of 3B, the geometries of the terminal [Cu(pmdta)]2+ fragments of 5 determined by X-ray crystallographic studies and accompanying quantum chemical calculations of the spin density distribution of the mononuclear [Cu(opooMe)]2− and of the magnetic exchange interactions of trinuclear [Cu3(opooMe)(pmdta)2]2+ complex fragments. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Since the last few decades frustrated spin systems have attracted much interest. These studies are motivated by the rich variety of their unusual magnetic properties and potential applications. In this thesis, excitation spectra of the weakly coupled dimer system Ba3Cr2O8, the spin-1/2 chain material with distorted diamond structure Cu3(CO3)2(OH)2 (natural mineral azurite), and the quasi-twodimensional antiferromagnet with triangle spin structure Cs2CuBr4 have been studied by means of high-field electron spin resonance. Two pairs of gapped modes corresponding to transitions from a spin-singlet ground state to the first excited triplet state with zero-field energy gaps, of 19.1 and 27 K were observed in Ba3Cr2O8. The observation of ground-state excitations clearly indicates the presence of a non-secular term allowing these transitions. Our findings are of crucial importance for the interpretation of the field-induced transitions in this material (with critical fields Hc1 = 12.5 T and Hc2 = 23.6 T) in terms of the magnon Bose-Einstein condensation. The natural mineral azurite, Cu3(CO3)2(OH)2, has been studied in magnetic fields up to 50 T, revealing several modes not observed previously. Based on the obtained data, all three critical fields were identified. A substantial zero-field energy gap, Δ = 9.6 K, has been observed in Cs2CuBr4 above the ordering temperature. It is argued that contrary to the case for the isostructural Cs2CuCl4, the size of the gap can not be explained solely by the uniform Dzyaloshinskii-Moriya interaction, but it is rather the result of the geometrical frustration stabilizing the spin-disordered state in Cs2CuBr4 in the close vicinity of the quantum phase transition between a spiral magnetically ordered state and a 2D quantum spin liquid.

Die Arbeit befasst sich mit der Elektronenspinresonanz (ESR) stark korrelierter Elektronensysteme mit ferromagnetischen Wechselwirkungen. Es wurden dafür Messungen an den Kondogitter-Systemen CeRuPO und CeOsPO, der Dotierungsreihe CeFeAs1-xPxO, den niederdimensionalen frustrierten Quadratgittern AA’VO(PO4)2 sowie in dem schwach ferromagnetischen Metall Nb1-yFe2+y durchgeführt. Alle Verbindungen zeigen entweder eine ferromagnetische Ordnung oder befinden sich in der Nähe einer ferromagnetischen Instabilität, die die Eigenschaften des stark korrelierten Systems beeinflusst.:Abkürzungsverzeichnis xi Einleitung 1 1 Theoretische Modelle 5 1.1 Auswirkungen des Kristallfeldes 1.2 Phasenübergänge, Landau-Ginzburg Theorie und Quantenphasenübergänge 1.3 Physik Niederdimensionaler Spin-Systeme 1.3.1 Das zweidimensionale XY-Modell 1.3.2 Das J1-J2-Modell auf dem Quadratgitter 1.4 4f-Magnetismus, Kondoeffekt und Kondogitter 1.4.1 Vom freien Elektronengas zur Landau-Fermi-Flüssigkeit 1.4.2 Kondo-Effekt, RKKY-Wechselwirkung und Schwere Fermionen Systeme 1.4.3 Cer: 4f-Magnetismus 1.5 Schwach magnetische Metalle 1.5.1 Pauli-Suszeptibilität und spontan aufgespaltene Bänder 1.5.2 Spinfluktuationen in itineranten Magneten und marginale Fermiflüssigkeit 1.6 Dichtefunktionaltheorie 2 Grundlagen der Elektronenspinresonanz 31 2.1 Prinzip der magnetischen Resonanz und ESR Parameter 2.1.1 Linienform 2.1.2 Intensität 2.1.3 g-Faktor 2.1.4 Linienbreite und Spin-Relaxation 2.2 Experimenteller Aufbau 2.3 ESR in niederdimensionalen Systemen 2.4 ESR an Metallen und Kondogitter Systemen 2.4.1 Auswirkungen der Wechselwirkungen zwischen lokalen Momenten und Leitungselektronen auf die ESR 2.4.2 ESR in Kondogittersystemen 2.5 Leitungselektronenspinresonanz 2.5.1 Linienform in der LESR 2.5.2 Elliot-Yafet Theorie und ihre Verallgemeinerung 2.6 ESR an magnetischen Phasenübergängen 3 ESR in CeTPO (T=Ru, Os) und CeFeAs1-xPxO 59 3.1 Die Eigenschaften von CeTPO (T=Ru, Os) & CeFeAs1-xPxO 3.1.1 Das ferromagnetische Kondogitter CeRuPO 3.1.2 Das antiferromagnetische Kondogitter CeOsPO 3.1.3 Die Dotierungsreihe CeFeAs1-xPxO 3.2 CeRuPO und CeOsPO: Die Bedeutung FM Fluktuationen für die Beobachtbarkeit der ESR in Kondo-Gitter Systemen 3.3 ESR an CeRuPO Einkristallen 3.3.1 Anisotropie und Temperaturverhalten des g-Faktors 3.3.2 Anisotropie und Temperaturverhalten der Linienbreite 3.4 Entwicklung der ESR in der Dotierungsreihe CeFeAs1-xPxO 3.4.1 CeFeAs0.7P0.3O - Supraleitung und Ferromagnetismus 3.5 Zusammenfassung ESR in CeTPO und CeFeAs1-xPxO 4 ESR in den frustrierten Quadratgittern AA’VO(PO4)2 97 4.1 Struktur und magnetische Eigenschaften AA’VO(PO4)2 4.2 ESR an polykristallinen SrZnVO(PO4)2 & BaCdVO(PO4)2 4.2.1 SrZnVO(PO4)2 4.2.2 BaCdVO(PO4)2 4.3 ESR an Pb2VO(PO4)2-Einkristallen 4.3.1 Anisotropie der Resonanz 4.3.2 Temperaturabhängigkeit 4.4 Zusammenfassung der ESR in den frustrierten Quadratgittern 7 4.4.1 Analyse der Linienbreitendivergenz am Phasenübergang 5 Leitungselektronenspinresonanz in Nb1-yFe2+y 125 5.1 Das magnetische Phasendigramm von Nb1-yFe2+y 5.2 LESR in polykristallinen Nb1-yFe2+y 5.2.1 Proben mit ferromagnetischer Ordnung 5.2.2 Proben mit SDW-Ordnung 5.2.3 Zusammenfassung polykristalline Proben 5.3 Bandstruktur und verallgemeinerte Elliot-Yafet-Theorie in NbFe2 5.4 LESR in einkristallinen Proben von Nb1-yFe2+y 5.4.1 Fe-reicher Einkristall: y=0.016 5.4.2 Stöchiometrischer Einkristall: NbFe2 5.4.3 Nb-reicher Einkristall: y=-0.008 5.5 Zusammenfassung LESR in Nb1-yFe2+y 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A.1 Das zweite Moment der Dipol-Dipol-Wechselwirkung A.2 Untersuchte CeFeAs1-xPxO-Proben Literaturverzeichnis