Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Metals with excitonic instabilities are multiband systems with significant electron-electron interaction. The electronic transport in such systems is affected by collective fluctuations of the electrons, leading to anomalous features in the measured transport coefficients. Many of these anomalies have not been well understood because the transport mechanisms in these systems tend to be rather complex. The complexity arises, on the one hand, from the multiband nature and, on the other, from the anisotropic scattering of electrons accompanied by emitting or absorbing collective fluctuations. Previous works considering scattering due to collective fluctuations have mainly focused on single-band systems, for example in the context of the normal-state transport in cuprates. The recent discovery of high-temperature superconductivity in iron pnictides has renewed the interest in multiband systems. Exploring the transport mechanisms in multiband systems, I find some interesting new aspects, which do not occur in single-band systems. In particular, anisotropic scattering in a model with electronlike and holelike Fermi surfaces can lead to a negative conductivity contribution of the minority carriers, i.e., in an electric field, the minority carriers drift in the direction opposite of what one would expect based on their charge. I show that this effect can explain a reduced magnetoresistance in connection with an enhanced Hall coefficient, which has been measured in pnictides. Of particular interest are multiband models with hot spots on the Fermi surface, in part because of their relevance for the iron pnictides. Hot spots are states with enhanced scattering and therefore reduced excitation lifetimes. In single-band systems, the hot spots are found to have a much lower contribution to the total conductivity than other parts of the Fermi surface, which leads to the so-called hot-spot structure. I show that in the multiband case, the conductivity contributions are much more isotropic around the Fermi surface so that hot spots contribute to transport with a similar strength as other parts of the Fermi surface. I discuss this effect on the basis of an approximate analytical solution of the transport problem and numerically calculate the temperature dependence of several transport coefficients. It turns out that in the nematic phase of iron pnictides, the unexpectedly strong conductivity contribution of hot spots can explain the puzzling behavior of the resistive anisotropy. I show that the experimental observations can be explained within a scenario in which the anisotropy is mainly due to the broken symmetry of the spin-fluctuation spectrum in the nematic phase. In the spin-density-wave state, strongly anisotropic scattering can arise due to the propagating magnons. Using a two-band model relevant for iron pnictides, I find that this scattering can lead to an unusual interruption of the orbital motion of electrons in the magnetic field. As a consequence, the low-field magnetoresistance is linear with an alternating sign of the slope as a function of the direction of the current. In strong magnetic fields, the interrupted orbital motion makes the system unstable, which is characterized by a drop of the resistivity to zero.

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Theorie des spinabhängigen Transports in magnetischen Vielfachschichten. Es wird erstmalig eine parameterfreie Beschreibung des Giant Magnetoresistance (GMR) vorgelegt, welche detaillierte Einsichten in die mikroskopischen Vorgänge gestattet. Die ab-initio Berechnung der Elektronenstruktur der magnetischen Vielfachschichten basiert auf der Spindichtefunktionaltheorie unter Verwendung eines Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Verfahrens. Die Streueigenschaften von Punktdefekten werden über die Greensche Funktion des gestörten Systems selbstkonsistent bestimmt. Die Transporteigenschaften werden durch Lösung der quasiklassischen Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Elektronenstruktur der Vielfachschicht und der Anisotropie der Streuung an Fremdatomen berechnet. Die Boltzmann-Gleichung wird iterativ unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen gelöst. Der Formalismus wird auf Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten, die Standardsysteme der Magnetoelektronik, angewandt. Es werden die Abhängigkeit der Streuquerschnitte, der spezifischen Restwiderstände und des GMR von der Art und der Lage der Übergangsmetalldefekte in Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten diskutiert. Darüber hinaus wird der Einfluß des Quantum Confinements auf den GMR eingehend untersucht. Vorteile und Grenzen der vorliegenden theoretischen Beschreibung werden aufgezeigt. / A new theoretical concept to study the microscopic origin of Giant Magnetoresistance (GMR) from first principles is presented. The method is based on ab-initio electronic structure calculations within the spin density functional theory using a Screened Korringa-Kohn-Rostoker method. Scattering at impurity atoms in the multilayers is described by means of a Green's-function method. The scattering potentials are calculated self-consistently. The transport properties are treated quasi-classically solving the Boltzmann equation including the electronic structure of the layered system and the anisotropic scattering. The solution of the Boltzmann equation is performed iteratively taking into account both scattering out and scattering in terms (vertex corrections). The method is applied to Co/Cu and Fe/Cr multilayers. Trends of scattering cross sections, residual resistivities and GMR ratios are discussed for various transition metal impurities at different positions in the Co/Cu or Fe/Cr multilayers. Furthermore the relation between spin dependence of the electronic structure and GMR as well as the role of quantum confinement effects for GMR are investigated. Advantages and limits of the approach are discussed in detail.

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Theorie des spinabhängigen Transports in magnetischen Vielfachschichten. Es wird erstmalig eine parameterfreie Beschreibung des Giant Magnetoresistance (GMR) vorgelegt, welche detaillierte Einsichten in die mikroskopischen Vorgänge gestattet. Die ab-initio Berechnung der Elektronenstruktur der magnetischen Vielfachschichten basiert auf der Spindichtefunktionaltheorie unter Verwendung eines Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Verfahrens. Die Streueigenschaften von Punktdefekten werden über die Greensche Funktion des gestörten Systems selbstkonsistent bestimmt. Die Transporteigenschaften werden durch Lösung der quasiklassischen Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Elektronenstruktur der Vielfachschicht und der Anisotropie der Streuung an Fremdatomen berechnet. Die Boltzmann-Gleichung wird iterativ unter Einbeziehung der Vertex-Korrekturen gelöst. Der Formalismus wird auf Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten, die Standardsysteme der Magnetoelektronik, angewandt. Es werden die Abhängigkeit der Streuquerschnitte, der spezifischen Restwiderstände und des GMR von der Art und der Lage der Übergangsmetalldefekte in Co/Cu- und Fe/Cr-Vielfachschichten diskutiert. Darüber hinaus wird der Einfluß des Quantum Confinements auf den GMR eingehend untersucht. Vorteile und Grenzen der vorliegenden theoretischen Beschreibung werden aufgezeigt. / A new theoretical concept to study the microscopic origin of Giant Magnetoresistance (GMR) from first principles is presented. The method is based on ab-initio electronic structure calculations within the spin density functional theory using a Screened Korringa-Kohn-Rostoker method. Scattering at impurity atoms in the multilayers is described by means of a Green's-function method. The scattering potentials are calculated self-consistently. The transport properties are treated quasi-classically solving the Boltzmann equation including the electronic structure of the layered system and the anisotropic scattering. The solution of the Boltzmann equation is performed iteratively taking into account both scattering out and scattering in terms (vertex corrections). The method is applied to Co/Cu and Fe/Cr multilayers. Trends of scattering cross sections, residual resistivities and GMR ratios are discussed for various transition metal impurities at different positions in the Co/Cu or Fe/Cr multilayers. Furthermore the relation between spin dependence of the electronic structure and GMR as well as the role of quantum confinement effects for GMR are investigated. Advantages and limits of the approach are discussed in detail.

Within the scope of this thesis, spin related transport phenomena have been investigated in HgTe/HgCdTe quantum well structures. This material exhibits peculiar band structure properties, which result in a strong spin-orbit interaction of the Rashba type. An inverted band structure, i.e., a reversed ordering of the energy states in comparison to common semiconductors, is obtained for quantum well layers above a critical thickness. Furthermore, the band structure properties can be controlled in the experiments by moderate gate voltages. Most prominently, the type of carriers in HgTe quantum wells can be changed from n to p due to the narrow energy gap. Along with the inverted band structure, this unique transition is the basis for the demonstration of the Quantum Spin Hall state, which is characterized by the existence of two one-dimensional spin-polarized edge states propagating in opposite directions, while the Fermi level in the bulk is in the energy gap. Since elastic scattering is suppressed by time reversal symmetry, a quantized conductance for charge and spin transport is predicted. Our experiments provide the first experimental demonstration of the QSH state. For samples with characteristic dimensions below the inelastic mean free path, charge conductance close to the expected value of 2e^2/h has been observed. Strong indication for the edge state transport was found in the experiments as well. For large samples, potential fluctuations lead to the appearance of local n-conducting regions which are considered to be the dominant source of backscattering. When time reversal symmetry is broken in a magnetic field, elastic scattering becomes possible and conductance is significantly suppressed. The suppression relies on a dominant orbital effect in a perpendicular field and a smaller Zeeman-like effect present for any field direction. For large perpendicular fields, a re-entrant quantum Hall state appears. This unique property is directly related to the non-trivial QSH insulator state. While clear evidence for the properties of charge transport was provided, the spin properties could not be addressed. This might be the goal of future experiments. In another set of experiments, the intrinsic spin Hall effect was studied. Its investigation was motivated by the possibility to create and to detect pure spin currents and spin accumulation. A non-local charging attributed to the SHE has been observed in a p-type H-shaped structure with large SO interaction, providing the first purely electrical demonstration of the SHE in a semiconductor system. A possibly more direct way to study the spin Hall effects opens up when the spin properties of the QSH edge states are taken into account. Then, the QSH edge states can be used either as an injector or a detector of spin polarization, depending on the actual configuration of the device. The experimental results indicate the existence of both intrinsic SHE and the inverse SHE independently of each other. If a spin-polarized current is injected from the QSH states into a region with Rashba SO interaction, the precession of the spin can been observed via the SHE. Both the spin injection and precession might be used for the realization of a spin-FET similar to the one proposed by Datta and Das. Another approach for the realization of a spin-based FET relies on a spin-interference device, in which the transmission is controlled via the Aharonov-Casher phase and the Berry phase, both due to the SO interaction. In the presented experiments, ring structures with tuneable SO coupling were studied. A complex interference pattern is observed as a function of external magnetic field and gate voltage. The dependence on the Rashba splitting is attributed to the Aharonov-Casher phase, whereas effects due to the Berry phase remain unresolved. This interpretation is confirmed by theoretical calculations, where multi-channel transport through the device has been assumed in agreement with the experimental results. Thus, our experiments provide the first direct observation of the AC effect in semiconductor structures. In conclusion, HgTe quantum well structures have proven to be an excellent template for studying spin-related transport phenomena: The QSHE relies on the peculiar band structure of the material and the existence of both the SHE and the AC effect is a consequence of the substantial spin-orbit interaction. While convincing results have been obtained for the various effects, several questions can not be fully answered yet. Some of them may be addressed by more extensive studies on devices already available. Other issues, however, ask, e.g., for further advances in sample fabrication or new approaches by different measurements techniques. Thus, future experiments may provide new, compelling insights for both the effects discussed in this thesis and, more generally, other spin-orbit related transport properties. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden spin-bezogene Transportphänomene in HgTe/HgCdTe-Quantentrogstrukturen untersucht. Dieses Materialsystem weist besondere Bandstruktureigenschaften auf, die u.a. zu einer starken Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung führen. Eine invertierte Bandstruktur, d.h. eine umgekehrte Anordnung der energetischen Zustände im Vergleich zu üblichen Halbleitern, ergibt sich für Quantentrogschichten oberhalb einer kritischen Dicke. Darüber hinaus können die Bandstruktur-Eigenschaften im Experiment mittels moderater Gatespannungen kontrolliert werden. Hervorzuheben ist, dass die Art der Ladungsträger im HgTe-Quantentrog aufgrund der geringen Bandlücke von n- nach p-Typ geändert werden kann. Dieser einzigartige Übergang bildet zusammen mit der invertierten Bandstruktur die Grundlage für den Nachweis der Quanten-Spin-Hall-Zustands, bei dem sich zwei eindimensionale spinpolarisierte Randkanäle in entgegen gesetzte Richtung ausbreiten, während die Fermi-Energie im Probeninneren in der Bandlücke liegt. Da elastische Streuprozesse aufgrund der Zeitumkehr-Invarianz verboten sind, ist der Leitwert für Ladungs- und Spintransport quantisiert. Unsere Messungen liefern den ersten experimentellen Nachweis des QSH-Zustands. Für Proben mit charakteristischen Abmessungen unterhalb der inelastischen freien Weglänge wurde ein Leitwert nahe des theoretisch erwarteten Wertes von 2e^2/h beobachtet. Die Experimente lieferten außerdem deutliche Anzeichen für den Randkanaltransport. In größeren Proben verursachen Potenzialfluktuationen lokale n-leitende Bereiche, die als Hauptursache für Rückstreuung angesehen werden können. Wird die Zeitumkehr-Invarianz im Magnetfeld gebrochen, können elastische Streuprozesse auftreten und der Leitwert sinkt deutlich. Die Ursache dafür sind ein dominanter orbitaler Effekt für senkrechte Felder sowie ein schwächerer Zeeman-ähnlicher Effekt für beliebige Feldrichtungen. Bei starken senkrechten Feldern kommt es zu einem Wieder-Eintritt in den Quanten-Hall-Zustands, was direkt mit dem nicht-trivialen isolierenden Zustand des QSH-Effekts verknüpft ist. Während die Messungen einige Eigenschaften des Ladungstransports deutlich belegen, können die Spineigenschaften nicht untersucht werden. Dies kann jedoch ein Ziel zukünftiger Messungen sein. Außerdem wurde der intrinsische Spin-Hall-Effekt untersucht, um die Erzeugung von Spinungleichgewichten und reinen Spinströmen nachzuweisen. Eine nicht-lokale Spannung, die auf den SHE zurückzuführen ist, wurde in einer p-leitenden H-förmigen Struktur beobachtet und liefert somit den ersten rein elektrischen Nachweis des SHE in einem Halbleiter-System. Ein direkterer Weg zur Untersuchung von Spin-Hall-Effekten ergibt sich, wenn die Spinpolarisation der QSH-Randkanäle berücksichtigt wird. Dabei können die QSH-Kanäle - abhängig von der Probenkonfiguration - eine Spinpolarisation wahlweise injizieren oder detektieren. Die experimentellen Ergebnisse weisen unabhängig voneinander den intrinsischen SHE und den inversen SHE nach. Wenn durch die QSH-Kanäle ein spin-polarisierter Strom in ein Gebiet mit Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung injiziert wird, kann die resultierende Spinpräzession mittels des SHE beobachtet werden. Sowohl die Spininjektion als auch die Präzession können zur Umsetzung eines Spin-FETs verwendet werden, wie er von Datta und Das vorgeschlagen wurde. Eine andere Herangehensweise zur Realisierung eines spin-basierten FETs beruht auf einem Spin-Interferenz-Bauteil, in dem die Transmission über Spin-Bahn-abhängige Phasen - die Aharonov-Casher-Phase und die Berry-Phase - gesteuert wird. Bei der Untersuchung von Ringstrukturen mit variabler Spin-Bahn-Wechselwirkung zeigt sich bei einer Variation des Magnetfeld und der Gate-Spannung ein komplexes Interferenzmuster. Die Abhängigkeit von der Rashba-Aufspaltung wird der Aharonov-Casher-Phase zugeschrieben, wohingegen Effekte aufgrund der Berry-Phase nicht nachgewiesen werden können. Diese Interpretation wird durch theoretische Berechnungen bestätigt, in denen Mehr-Kanal-Transport durch den Ring angenommen wurde. Somit liefern unsere Experimente den ersten direkten Nachweis des AC-Effektes in Halbleiterstrukturen. Insgesamt stellen die HgTe-Quantentröge ein als exzellentes System zur Untersuchung von spin-bezogenen Transportphänomenen dar: Der QSHE beruht auf der besonderen Bandstruktur; und sowohl der SHE als auch der AC-Effekt treten aufgrund der deutlichen Spin-Bahn-Wechselwirkung auf. Für alle Effekte wurden überzeugende Ergebnisse erzielt; allerdings konnten einige Fragen noch nicht vollständig beantwortet werden. Einige können möglicherweise mittels umfangreicherer Untersuchungen geklärt werden. Andere jedoch verlangen z.B. nach Fortschritten in der Probenherstellung oder anderen Untersuchungsmethoden. Daher können zukünftige Experimente weitere neue faszinierende Einblicke sowohl in die hier diskutierten Effekte als auch in andere Spin-Bahn-bezogene Transportphänomene bieten.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle der Atomcluster in den ikosaedrischen Quasikristallen. Untersucht werden dabei Eigenschaften der Zustandsdichte, der Leitfähigkeit und des Stabilisierungsverhaltens.