Eine Vielzahl von interessanten Phänomenen entsteht durch die quantenmechanischeWechselwirkung einer großen Zahl von Teilchen. In den meisten Fällen ist die Beschreibung der relevanten physikalischen Eigenschaften extrem schwierig, da die Komplexität des Systems exponentiell mit der Anzahl der wechselwirkenden Teilchen anwächst und das Lösen der zugrunde liegenden Schrödingergleichung unmöglich macht. Trotzdem gab es in der Geschichte der Festkörperphysik eine Reihe von bahnbrechenden Entdeckungen, die unser Verständnis von komplexen Phänomenen deutlich voran gebracht haben. Dazu zählt die Entwicklung der Landau’schen Theorie der Fermiflüssigkeit, der BCS-Theorie der Supraleitung, der Theorie der Supraflüssigkeit und der Theorie des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts. In all diesen Fällen ist ein theoretisches Verständnis mithilfe sogenannter Quasiteilchen gelungen. Anstatt ein komplexes Phänomen durch das Verhalten von fundamentalen Teilchen wie der Elektronen zu erklären, ist es möglich, die entsprechenden Eigenschaften durch das simple Verhalten von Quasiteilchen zu beschreiben, die allein auf Grund der komplexen kollektiven Wechselwirkung entstehen. Eines der seltenen Beispiele, bei dem ein stark korreliertes quantenmagnetisches Problem analytisch lösbar ist, ist das Kitaev Modell. Es beschreibt wechselwirkende Spins auf einem Sechseck-Gitter und zeichnet sich durch einen Spinflüssigkeits-Grundzustand aus. Auch hier gelang die Lösung mittels spezieller Quasiteilchen, den Majorana Fermionen. Experimentell ist es jedoch noch nicht gelungen eine Spinflüssigkeit eindeutig nachzuweisen, da diese sich gerade durch das Fehlen jeglicher klassischer Ordnung und üblicher experimenteller Kenngrößen auszeichnet. Dagegen kann die Beobachtung von Quasiteilchenanregungen einen Hinweis auf den zugrunde liegenden Zustand liefern. Aber auch der definitive Nachweis von Majorana Fermionen in jeglicher Art System, bleibt ein ausstehendes Ziel in der modernen Festkörperphysik. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Frage, wie solche Quasiteilchen experimentell sichtbar gemacht werden könnten. Dazu untersuchen wir den Einfluss von Unordnung auf die Zustände und Messgrößen des Kitaev Modells. Dies ist in zweierlei Hinsicht relevant. Einerseits ist Unordnung in der Natur allgegenwärtig, andererseits kann sie auch strategisch herbeigeführt werden, um die Reaktion eines System gezielt zu testen. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit ist, dass den Majorana Fermionen dabei in der Tat eine physikalische, messbare Bedeutung zukommt. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in frustrierte quantenmagnetische Systeme und Spinflüssigkeiten und diskutiert einige Effekte, die durch Gitterverzerrungen oder Verunreinigungen entstehen können. Anschließend zeigen wir, wie sich durch die frustrierte Wechselwirkung im Kitaev Modell ein Spinflüssigkeits-Grundzustand herausbildet. Die analytische Lösung des Modells gelingt mit Hilfe von Majorana Fermionen, jedoch verdoppelt sich der Hilbertraum pro Spin durch die Einführung dieser Quasiteilchen. Ein zentraler Aspekt dieser Arbeit ist daher die richtige Auswahl der „physikalischen“ Zustände, also solcher, die einem Zustand im ursprünglichen Spin Modell entsprechen. Dabei unterscheiden wir zwischen offenen und periodischen Randbedingungen. Wir konnten beweisen, dass sich, in der Phase ohne Bandlücke und für periodische Systeme, stets ein angeregtes Fermion befindet. Dies führt zu großen Effekten in endlichen Systemen, wie wir anhand der Suszeptibilität und der Anregungslücke für magnetische Flüsse zeigen. Außerdem berechnen wir numerisch die statische und dynamische Suszeptibilität abhängig von der Unordnung in der Wechselwirkungsstärke. Diese Art der Unordnung entsteht beispielsweise durch unregelmäßige Gitterstrukturen oder chemische Verunreinigungen auf den nicht-magnetischen Gitterplätzen. Insbesondere ergibt die Verteilung der lokalen Suszeptibilitäten das Linienspektrum, welches sich in Kernspinresonanz Experimenten messen lässt. Für große Unordnung postulieren wir einen Übergang zu einem Zustand mit einer zufälligen Verteilung magnetischer Flüsse. Ein weiterer Kern der Dissertation ist die Untersuchung eines magnetischen Defekts im Kitaev Modell. Diese Situation beschreibt den ungewöhnlichen Fall eines Kondoeffekts in einer Spinflüssigkeit. In der Majorana Fermionen Darstellung gelingt es uns, das Problem in eine Form zu bringen, die mit Hilfe von Wilson’s numerischer Renormalisierungsgruppe untersucht werden kann. Es zeigt sich, dass dadurch eine Nullpunktsentropie des Defekts entsteht, die durch lokalisierte Majorana Fermionen erklärt werden kann. Durch die Darstellung des Kitaev Modells mithilfe von Quasiteilchen ist es möglich eine elegante Beschreibung eines komplexen, stark wechselwirkenden Systems zu finden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass den Majorana Fermionen dabei durchaus eine physikalische Bedeutung zukommt. Gelingt es sie z.B. durch magnetische Störstellen zu lokalisieren, wäre ein direkter experimenteller Nachweis möglich. / Many interesting phenomena in quantum physics arise through the quantum mechanical interaction of a large number of particles. In most cases describing the relevant physical properties is extremely difficult, because the complexity of the system increases exponentially with the number of interacting particles and solving the underlying Schrödinger equation becomes impossible. Nevertheless, our understanding of complex phenomena has progressed through some groundbreaking discoveries in the history of condensed matter physics. Examples include the development of Landau’s theory of Fermi liquids, the BCStheory of superconductivity, the theory of superfluidity and the theory of the fractional quantum Hall effect. In all these cases a theoretical understanding was achieved with so-called quasi-particles. Instead of explaining a phenomenon through the behavior of fundamental particles, such as electrons, the corresponding properties can be described by the simple behavior of quasi-particles, which are themselves a result of the complex collective interaction. One of the rare examples, where a strongly correlated quantum mechanical problem can be solved analytical, is the Kitaev model. It describes interacting spins on a honeycomb lattice and exhibits a spin liquid ground state. Here the solution was achieved by means of certain quasi-particles, called Majorana fermions. However, it has not been possible to clearly identify such a spin liquid experimentally, because its defining feature is the absence of any conventional order, in particular magnetic order. In contrast, the observation of quasiparticle excitations may hint at the nature of the ground state. But also a definite detection of Majorana fermions in any kind of system remains one of the outstanding issues in modern condensed matter physics. Therefore this thesis is devoted to the question how such quasiparticles may be found experimentally. For this reason we study the influence of disorder on the states and observables of the Kitaev model. This is relevant in two respects: Firstly, disorder is ubiquitous in nature and secondly, it may be used strategically to probe the response of a system. The central result of this work is that Majorana fermions hereby indeed obtain a true physical and observable significance. The thesis starts with an introduction of frustrated quantum mechanical systems and spin liquids, and discusses some of the effects that arise through lattice distortions or impurities. Afterwards we show how the frustrated interactions in the Kitaev model lead to a spin liquid ground state. The analytical solution of the model is achieved through the introduction of Majorana fermions. However, resulting from the introduction of these quasi-particles the Hilbert space per spin doubles. A central aspect of this thesis is therefore the right selection of the “physical” states, which correspond to a state of the original spin Hamiltonian. To do this, we distinguish between periodic and open boundary conditions explicitly. We were able to prove that there is always one excited fermion in the gapless phase of the periodic system. This leads to large finite-size effects, as we will illustrate for the susceptibility and the magnetic flux gap. Moreover we compute the static and dynamic spin susceptibilities for finite-size systems subject to disorder in the exchange couplings. In a possible experimental realization, this kind of disorder arises from lattice distortions or chemical disorder on nonmagnetic sites. Specifically, we calculate the distribution of local susceptibilities and extract the lineshape, which can be measured in nuclear-magnetic-resonance experiments. Further, for increasing disorder we predict a transition to a random-flux state. Another core of this dissertation is the investigation of a magnetic impurity in the Kitaev model. This setup represents the unusual case of a Kondo effect in a quantum spin liquid. Utilizing the Majorana representation we are able to formulate the problem in a way that can be analyzed using Wilson’s numerical renormalization group. The numerics reveal an impurity entropy which can be explained by localized Majorana fermions. Through the representation of the Kitaev model in terms of quasi-particles an elegant description of a complex, strongly correlated system is possible. The results of this thesis indicate that these Majorana acquire a relevant physical meaning. If one can localize them, for example with the help of magnetic impurities, a direct experimental observation would be feasible.

In dieser Arbeit wurden mittels winkelaufgelöster Photoemission verschiedene Verbindungen mit stark korrelierten Elektronen untersucht. Es wurde gezeigt, dass diese Technik einen direkten Zugang zu den niederenergetischen Wechselwirkungen bietet und dadurch wichtige Informationen über die Vielteilchenphysik dieser Systeme liefert. Die direkte Beobachtung der scharfen Quasiteilchenstrukturen in der Nähe der Fermikante ermöglichte insbesondere die genaue Betrachtung der folgenden Punkte: 1. Quantenphasenübergang: analog zu [27] wurde gezeigt, dass die hochaufgelöste PES Zugriff auf die lokale Energieskala TK bietet. Außerdem konnte im Rahmen eines störungstheoretischen Modells allgemein gezeigt werden, wie sich kleine RKKY-Störungen auf TK auswirken. Aus der experimentellen Entwicklung von TK(x) in CeCu6-xAux lassen sich mit Hilfe dieses Modells Rückschlüsse auf den Quantenphasenübergang bei T = 0 ziehen. 2. Kondogitter: mit Hilfe einer geordneten CePt5/Pt(111)-Oberflächenlegierung wurde demonstriert, dass mit ARPES Kondogittereffekte beobachtet werden können. Dazu zählen die Beobachtung von Hybridisierungsbandlücken und der starken Renormierung der Bandmassen in der Nähe von EF. Diese Effekte lassen sich, mit Hilfe unterschiedlicher Anregungsenergien und Messungen an einer isostrukturellen LaPt5-Schicht, eindeutig dem Resultat einer d f -Mischung der elektronischen Zustände zuweisen. Anhand von temperaturabhängigenMessungen konnte erstmals der Übergang von lokalisierten zu kohärenten Quasiteilchen in einem Kondosystem mittels ARPES beobachtet werden. 3. Phasenübergänge: bei FeSi und URu2Si2 wurde jeweils gezeigt, dass die ARPES sensitiv für kleinste Änderungen der elektronischen Struktur in unmittelbarer Umgebung der Fermienergie ist. Es konnten charakteristische Energien und Temperaturen, sowie am Phasenübergang beteiligte Bänder und deren effektive Massen m* quantifiziert werden. Insbesondere wurde gezeigt, dass Heavy-Fermion-Bänder mit m* = 40 me eine wichtige Rolle beim Hidden-order-Phasenübergang in URu2Si2 spielen. 4. Oberflächeneffekte: für alle Proben, außer CeCu6-xAux, musste festgestellt werden, dass Oberflächenzustände beträchtliche Anteile am Spektrum besitzen können. Daher ist bei jedem Material größte Vorsicht bei der Präparation der Oberfläche und der Interpretation der Spektren angebracht. Als eine geeignete Methode um Oberflächen und Volumenanteile auseinander zu halten, stellten sich anregungsenergieabhängige Messungen heraus. 5. theoretische Modelle: trotz der Bezeichnung “stark korrelierte Systeme”, unterscheiden sich die untersuchten Verbindungen bezüglich ihrer theoretischen Beschreibung: die Physik der Cersysteme (CeCu6, CePt5/Pt(111)) ist bei T > TK durch lokale Störstellen bestimmt und lassen sich somit im Rahmen des SIAM beschreiben. Bei tieferen Temperaturen T < TK treten jedoch Anzeichen von beginnender Kohärenz auf und geben somit den Übergang zum PAM wieder. Schwere, dispergierenden Bänder in URu2Si2 und FeSi zeigen, dass beide Systeme nur mit Hilfe eines geordneten Gitters beschreibbar sind. Insbesondere stellt sich für FeSi heraus, dass eine Erklärung im Kondoisolator-Bild falsch ist und ein Hubbard-Modell-Ansatz angebrachter scheint. / In this thesis angle-resolved photoemission investigations on diverse strongly- correlated systems were presented. It was shown that this technique gives a direct access to the low-energy excitations of a solid and therefore provides important information about its many-body physics. In particular the spectroscopic investigation of the sharp quasi-particle features near the Fermi edge gave information about the following points: 1. quantum phase transition: as already investigated in [27], it was shown that high resolution PES gives a direct access to the local energy scale TK. In the framework of a pertubative model, it was presented how small RKKY corrections influence the Kondo temperature. From the experimental evolution of TK(x) in CeCu6-xAux conclusions could be drawn about the quantum phase transition at T = 0. 2. Kondo lattice: an ordered CePt5/Pt(111) surface alloy was prepared and investigated by ARPES. The sharp spectra show the characteristics of a Kondo lattice: hybridization gaps and a strong renormalization of the band mass in the vicinity of the Fermi edge. With the aid of different excitation energies and measurements on an isostructural LaPt5 surface alloy it was shown, that these effects are due to a d f -mixing. For the first time, the transition from the single-impurity to the heavy-fermion regime could be observed by ARPES. 3. phase transitions: for FeSi and URu2Si2 the sensitivity of ARPES to small changes in the Fermi surface was shown in the temperature dependent spectra. The measurements reveal characteristic energies and temperatures of the phase transitions. Furthermore the bands which are involved in the phase transition and their effective masses m* could be quantified. In the case of URu2Si2 it was shown that a heavy-fermion band with m* = 40 me is affected by the hidden-order phase transition. 4. surface effects: besides CeCu6-xAux all samples showed significant surface contribution to the spectra. Excitation energy dependent measurements were found to be a good tool to distinguish between bulk and surface contributions. 5. theoretical models: despite the shared expression “strongly correlated systems” the compounds differ in their theoretical description: it was found that the physics of cerium systems (CeCu6, CePt5/Pt(111)) at T > TK can be described in the framework of the SIAM. However, at lower temperatures (T < TK) the signatures of coherence appear in the spectra. These can only be described by the PAM. Heavy dispersing bands have been observed for URu2Si2 and FeSi. Thus these systems must be described by a Hamiltonian with lattice properties, too. Especially the transition metal compound FeSi was shown to be no Kondo insulator. A description in the framework of a multi-band Hubbard Hamiltonian seems to be more appropriate for this compound.

1979 wurde mit CeCu2Si2 erstmalig ein Schwere-Fermionen-Supraleiter entdeckt. Diese Verbindung, entdeckt von Steglich und Mitarbeitern, befindet sich nahe an einem quantenkritischen Punkt, an dem die magnetische Ordnung gerade unterdrückt wird. Der Abstand zu diesem Punkt kann sowohl durch Druck als auch durch Germaniumsubstitution auf dem Siliziumplatz variiert werden. Dabei treten neben der Supraleitung in CeCu2Si2 auch verschiedene magnetische Phasen bei höherem Germaniumgehalt auf. CeCu2Si2 ordnet magnetisch unterhalb von TN = 0.8 K in einer Spindichtewelle, während das Schwere-Fermionen-System CeCu2Ge2 unterhalb von TN = 4.1 K antiferromagnetisch ordnet. In dieser Arbeit wurde die Substitutionsreihe CeCu2(Si1-xGex)2 mittels Neutronendiffraktion untersucht. Ausgehend von Proben mit hohem Germaniumgehalt von x = 0.45, deren magnetische Struktur detailliert untersucht wurde, wurden schrittweise die Eigenschaften von Proben mit kleinerem x erschlossen, um schließlich die (bis dato unbekannte) magnetische Struktur in CeCu2Si2 aufzuklären. Weiterhin wurden Untersuchungen zumWechselspiel zwischenMagnetismus und Supraleitung durchgeführt. Hierzu wurde mit einem selbstentwickelten Aufbau dieWechselfeldsuszeptibilität simultan zu den Diffraktionsexperimenten aufgezeichnet. Durch die direkte Korrelation konnte nachgewiesen werden, dass in CeCu2Si2 keine mikroskopische Koexistenz von Supraleitung und magnetischer Ordnung vorliegt, sondern mikroskopische Phasenseparation. - Die Arbeit ist auch über den Cuvillier-Verlag; Nonnenstieg 8; 37075 Göttingen mit der ISBN 978-3-86727-587-3 erhältlich. / In 1979 the first heavy-fermion superconductor CeCu2Si2 was discovered by Steglich et al. The system is near a quantum critical point (QCP), where the magnetic order is just suppressed. The distance to the QCP can be variied with hydrostatic pressure as well as by germanium substitution on the silicon site. Next to the superconductivity in CeCu2Si2 one finds distinct magnetic phases while increasing the germanium content. CeCu2Si2 shows a magnetic order of a spin-density-type below TN = 0.8 K, whereas the heavy fermion system CeCu2Ge2 orders below TN = 4.1 K as an antiferromagnet. The focus of this thesis is on neutron-diffraction in the system CeCu2(Si1-xGex)2. Starting with a sample with a high germanium content of x = 0.45, the magnetic structures are investigated in detail. Following a step-by-step approach, samples with reduced x are investigated subsequently to figure out the properties of pure CeCu2Si2, which were not accessible before. Furthermore, the complex interaction between magnetism and superconductivity is investigated in detail. Using a specially designed setup, the ac-susceptibility could be recorded simultaneously during the neutron diffraction experiments. Due to the direct correlation between antiferromagnetic signals and diamagnetic features, the microscopic coexistence of superconductivity and magnetic order can be ruled out. Instead, a phase separation on the microscopic scale is found. - The thesis is also available from the publisher Cuvillier-Verlag; Nonnenstieg 8; 37075 Göttingen under the ISBN 978-3-86727-587-3.

The understanding of new emerging unconventional ground states is a great challenge for experimental and theoretical solid-state physicists. New ground states are developing, where different energy scales compete, leading to a high sensitivity of the system to external tuning parameters like doping, pressure or magnetic field. The exploration of superconductivity proved to be a fascinating and challenging scientific undertaking. Discovered by H. Kammerlingh Onnes in 1911, prior to the development of the quantum theory of matter, superconductivity was defying a microscopic theory for more than four decades until the BCS theory was formulated in 1957 by J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer. Superconductivity of most of the simple metals or metallic alloys is well described within the frame of the BCS scenario, however, in the last thirty years numerous new superconducting materials were found to exhibit exotic properties not accounted for by the BCS theory. Among them are included the high-Tc compounds, the heavy-fermion superconductors and as well the organic superconductors. It was the purpose of this work to probe different facets of superconductivity in heavy-fermion and in low-dimensional metallic compounds. This dissertation is divided into six chapters. After this introduction, in Chapter 1 we will outline the basic theoretical concepts later needed for the analysis of the experimental results. In Chapter 2 we briefly introduce the experimental techniques with a special focus on the new pressure cells developed during this thesis and used for the measurements presented in Chapters 3 to 5. In Chapter 3 the possible realization of the inhomogeneous superconducting FFLO state in CeCoIn5 is studied by specific heat measurements under hydrostatic pressure, while in Chapter 4 the results of AC specific heat experiments on UBe13 under uniaxial pressure are presented. The ambient pressure properties as well as results obtained by resistivity measurements under hydrostatic pressure on the one-dimensional metallic compounds TlxV6S8 are discussed in Chapter 5. At the end, Chapter 6 summarizes and concludes this thesis.

In this thesis valence changes at interfaces and surfaces of 3d and 4f systems are investigated by X-ray spectroscopy, in particular X-ray photoemission (XPS), X-ray absorption (XAS) and resonant photoemission spectroscopy (ResPES). The first part addresses the electronic properties of the oxides LaAlO3, LaGaO3 and NdGaO3 grown by pulsed laser deposition on TiO2-terminated SrTiO3 single crystals along (001)-direction. These polar/non-polar oxide interfaces share an insulator to metal phase transition as a function of overlayer thickness including the formation of an interfacial two dimensional electron gas. The nature of the charge carriers, their concentration and spatial distribution, and the band alignment near the interface are studied in a comparative manner and evaluated quantitatively. Irrespective of the different overlayer lattice constants and bandgaps, all the heterostructures behave similarly. Rising Ti3+ concentration is monitored by Ti 2p XPS, Ti L-edge XAS and by resonantly enhanced Ti 3d excitations in the vicinity of EF (ResPES) when the layer number n increases. This indicates that the active material is in all cases a near interface SrTiO3 layer of 4nm thickness. Band bending in SrTiO3 occurs but no electric field is detected inside the polar overlayers. Essential aspects of the findings are captured by scenarios where the polar forces are alleviated by surface defect creation or the separation of photon generated electron-hole pairs in addition to the electronic reconstruction at n = 4 unit cells layer thickness. Furthermore, deviations from an abrupt interface are found by soft X-ray photoemission spectroscopy which may affect the interface properties. The surface sensitivity of the measurements has been tuned by varying photon energy and emission angle. In contrast to the core levels of the other elements, the Sr 3d line shows an unexpected splitting for higher surface sensitivity, signaling the presence of a second strontium component. From a quantitative analysis it is concluded that during the growth process a small amount of Sr atoms diffuse away from the substrate and segregate at the surface of the heterostructure, possibly forming strontium oxide. In the second part of this thesis the heavy fermion superconductors CeMIn5 (M = Co, Rh, Ir) are investigated by temperature- and angle-dependent XPS. In this material class the subtle interplay between localized Ce 4f and itinerant valence electrons dominate the electronic properties. The Ce 3d core level has a very similar shape for all three materials and is indicative of weak f-hybridization. The spectra are analyzed using a simplified version of the Anderson impurity model, which yields a Ce 4f occupancy that is larger than 0.9. The temperature dependence shows a continuous, irreversible and exclusive broadening of the Ce 3d peaks, due to oxidation of Ce at the surface. / In der vorliegenden Dissertation werden Valenzänderungen an Grenzflächen und Oberflächen mittels Verfahren der Röntgenspektroskopie untersucht, zu denen die Röntgenphotoelektronen- (XPS), die Röntgenabsorptions- (XAS) und die resonante Photoelektronenspektroskopie (ResPES) gehören. Kapitel 3 behandelt die elektronischen Eigenschaften der Oxide LaAlO3, LaGaO3 und NdGaO3, welche mittels Laserdeposition (PLD) auf TiO2-terminierte SrTiO3 Einkristalle entlang (001)-Richtung gewachsen wurden. Diese polaren/nicht-polaren Oxidgrenzflächen weisen einen Isolator-Metall Phasenübergang als Funktion der Schichtdicke auf, bei dem sich ein zwei dimensionales Elektronengas an der Grenzfläche bildet. Die Eigenschaften dieser Ladungsträger, deren Konzentration und räumliche Ausdehnung, sowie der Verlauf der Energiebänder an der Grenzfläche werden vergleichend untersucht und quantitativ bestimmt. Es wird gezeigt, dass sich die drei untersuchten Grenzflächen, trotz unterschiedlicher Gitterkonstanten und Energiebandlücken, ähnlich verhalten. Das mit der Schichtdicke ansteigende Ti3+ Signal wird im Ti 2p XPS, Ti L-Kante XAS und durch die resonant verstärkten Ti 3d Anregungen nahe EF (ResPES) nachgewiesen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass in allen Fällen eine SrTiO3 Schicht mit einer Dicke von 4nm der eigentlich aktive Bereich ist. Im SrTiO3 tritt eine Bandverbiegung auf, ein elektrisches Feld in der polaren Deckschicht kann jedoch nicht nachgewiesen werden. Grundlegende Aspekte dieser Ergebnisse sind in einem Szenario vereinbar, bei dem die polaren Kräfte durch die Entstehung von Oberflächendefekten, durch die Trennung von photoneninduzierten Elektronen-Lochpaaren und durch eine elektronische Umordnung bei 4 uc Schichtdicke eliminiert werden. Des Weiteren werden Abweichungen von einer abrupten Grenzfläche mittels weich-Röntgenphotoelektronenspektroskopie festgestellt, die die Grenzflächeneigenschaften beeinflussen können. Für oberflächenempfindlichere Messbedingungen zeigt die Sr 3d Anregung, im Gegensatz zu Rumpfniveaus anderer Elemente, eine unerwartete Aufspaltung, was nur durch das Vorhandensein einer zweiten chemischen Strontiumkomponente zu erklären ist. Aus quantitativen Betrachtungen lässt sich schließen, dass einige Strontiumatome während des Wachstums an die Oberfläche diffundieren und möglicherweise Strontiumoxid gebildet wird. Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Schwer-Fermionen Supraleitern CeMIn5 (M = Co, Rh, Ir) mittels temperatur- und winkelabhängiger XPS. Bei dieser Materialklasse dominiert das feine Zusammenspiel zwischen lokalisierten Ce 4f und frei beweglichen Leitungselektronen die elektronischen Eigenschaften. Das Ce 3d Rumpfniveauspektrum besitzt für die drei Materialien eine sehr ähnliche Form, die auf eine schwache f-Hybridisierung schließen lässt. Die Spektren werden mittels einer vereinfachten Version des Anderson-Impurity Modells analysiert, wobei sich eine Ce 4f Besetzung von mehr als 0,9 ergibt. Die Temperaturabhängigkeit zeigt eine kontinuierliche und irreversible Verbreiterung ausschließlich für die Ce 3d Anregung, dieser Umstand kann einer Oxidation der reaktiven Ceratome an der Oberfläche zugeordnet werden.

Gegenstand dieser Dissertation ist die experimentelle Untersuchung von Schwere-Fermionen-Systemen mittels Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie (RTM/S). In diesen Materialien führen starke elektronische Korrelationen zur Ausbildung einer besonderen Art von \"schweren\" Ladungsträgern, deren Natur bislang nicht abschließend aufgeklärt werden konnte. Einige grundlegende Aspekte der Physik der Schwere-Fermionen-Systeme werden eingangs der Arbeit dargestellt. Im Anschluss daran werden die experimentellen Methoden der RTM und RTS eingeführt sowie die verwendeten Messaufbauten vorgestellt. Dies geschieht mit Hinblick auf die experimentellen Voraussetzungen für die RTS an Schwere-Fermionen-Systemen, insbesondere auf das spektrale Auflösungsvermögen. Die Präparation geeigneter Probenoberflächen von Schwere-Fermionen-Materialien und deren Auswirkung auf RTM-Experimente nehmen eine zentrale Stellung dieser Arbeit ein und werden daher gesondert behandelt. Vorrangig wurde dabei das Spalten einkristalliner Proben untersucht. In RTS-Untersuchungen des Schwere-Fermionen-Supraleiters CeCoIn5 ist es gelungen, die für einen Supraleiter typische Energielücke im Anregungsspektrum zu messen. Die Daten können über einen weiten Temperaturbereich mit theoretischen Voraussagen für die unkonventionelle Supraleitung in diesem Material verglichen werden. Die Resultate sind im Einklang mit früheren experimentellen Befunden, welche auf einen der Supraleitung vorausgehenden sog. „Precursor“-Zustand hindeuten. Allerdings gibt es, wie auch in anderen untersuchten Schwere-Fermionen-Supraleitern, Hinweise auf Inhomogenitäten der Probenoberfläche. Im Fall des nicht-supraleitenden Kondogitter-Systems YbRh2Si2 konnte durch Spalten von Einkristallen bei tiefen Temperaturen großflächig atomar geordnete Oberflächen erzeugt werden. Es zeigen sich starke Indikationen darauf, dass die Spektroskopie-Daten die Volumeneigenschaften des Materials reflektieren. Ein Vergleich mit theoretischen Rechnungen deutet darauf hin, dass der Kondoeffekt der magnetischen Yb3+-Ionen sich in der Tunnelleitfähigkeit widerspiegelt - bis hin zum Einfluss der sich ausbildenden räumlichen Kohärenz des Kondogitters bei tiefen Temperaturen. Diese Ergebnisse gewähren wichtige Einblicke in die thermische Entwicklung der elektronischen Korrelationen in Kondogitter-Systemen, und demonstrieren somit das große Potential der Rastertunnel-Spektroskopie für die weitere Erforschung der Schwere-Fermionen-Systeme. Die im Abschnitt 6.3 'Tunnelspektroskopie-Resultate an YbRh2Si2' dargestellten Ergebnisse sind in ähnlicher Form auch veröffentlicht in Nature Vol. 474 (2011), Seiten 362-366.

Second-order phase transitions involve critical fluctuations just below and above the transition temperature. Macroscopically, they manifest in the power-law behaviour of many physical properties such as the susceptibility and the specific heat. The power-laws are predicted to be universal, i.e. the same exponents are expected for a certain class of transitions irrespective of the microscopic details of the system. The underlying commonality of such transitions is the divergence of the correlation length ξ and the correlation time ξ_τ of the critical fluctuations at the transition temperature. Both ξ and ξ_τ can be directly observed by neutron scattering experiments, making them an ideal tool for the study of critical phenomena. At classical phase transitions, the critical fluctuations will be thermal in nature. However, if a second-order transition occurs at T = 0, thermal fluctuations are frozen, and the transition is driven by quantum fluctuations instead. This is called a quantum critical point. The quantum nature of the fluctuations influences observable properties, also at finite temperatures, and causes unusual behaviour in the vicinity of the quantum critical point or the existence of exotic phases, e.g. unconventional superconductivity. Heavy-fermion compounds are a class of materials that is well suited for the study of quantum criticality. They frequently show second-order transitions into a magnetically ordered state at very low temperatures, which can easily be tuned to T = 0 by the application of pressure, magnetic fields or element substitution. In this thesis, fluctuations near a quantum critical point are investigated for three heavy-fermion systems. CeCu2Si2 shows unconventional superconductivity close to an antiferromagnetic quantum critical point. Results from single-crystal neutron spectroscopy and thermodynamic measurements are discussed and some details are also given about the synthesis of large single crystals. The focus of the study is the comparison of the inelastic response of magnetic and superconducting samples, which are found to be very similar for ΔE > 0.2 meV. CePdAl has an antiferromagnetic state with partial magnetic frustration. The ordering temperature can be suppressed by Ni substitution towards a quantum critical point. Single-crystal neutron diffraction experiments of three members of the substitution series were analysed. They revealed several unusual effects of the frustrated state in the pure sample, and show that magnetic order and frustration persist in the substituted samples. YbNi4P2 is a rare example of a compound with ferromagnetic quantum criticality, which has only been studied in the last few years. The aim of the powder neutron spectroscopy experiments presented here was to obtain an overview of the relevant energy scales, i.e. the crystal electric field, local magnetic fluctuations and ferromagnetic fluctuations. Simulations using the program McPhase were performed for a thorough understanding of the crystal electric field.

Gegenstand dieser Dissertation ist die experimentelle Untersuchung von Schwere-Fermionen-Systemen mittels Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie (RTM/S). In diesen Materialien führen starke elektronische Korrelationen zur Ausbildung einer besonderen Art von \"schweren\" Ladungsträgern, deren Natur bislang nicht abschließend aufgeklärt werden konnte. Einige grundlegende Aspekte der Physik der Schwere-Fermionen-Systeme werden eingangs der Arbeit dargestellt. Im Anschluss daran werden die experimentellen Methoden der RTM und RTS eingeführt sowie die verwendeten Messaufbauten vorgestellt. Dies geschieht mit Hinblick auf die experimentellen Voraussetzungen für die RTS an Schwere-Fermionen-Systemen, insbesondere auf das spektrale Auflösungsvermögen. Die Präparation geeigneter Probenoberflächen von Schwere-Fermionen-Materialien und deren Auswirkung auf RTM-Experimente nehmen eine zentrale Stellung dieser Arbeit ein und werden daher gesondert behandelt. Vorrangig wurde dabei das Spalten einkristalliner Proben untersucht. In RTS-Untersuchungen des Schwere-Fermionen-Supraleiters CeCoIn5 ist es gelungen, die für einen Supraleiter typische Energielücke im Anregungsspektrum zu messen. Die Daten können über einen weiten Temperaturbereich mit theoretischen Voraussagen für die unkonventionelle Supraleitung in diesem Material verglichen werden. Die Resultate sind im Einklang mit früheren experimentellen Befunden, welche auf einen der Supraleitung vorausgehenden sog. „Precursor“-Zustand hindeuten. Allerdings gibt es, wie auch in anderen untersuchten Schwere-Fermionen-Supraleitern, Hinweise auf Inhomogenitäten der Probenoberfläche. Im Fall des nicht-supraleitenden Kondogitter-Systems YbRh2Si2 konnte durch Spalten von Einkristallen bei tiefen Temperaturen großflächig atomar geordnete Oberflächen erzeugt werden. Es zeigen sich starke Indikationen darauf, dass die Spektroskopie-Daten die Volumeneigenschaften des Materials reflektieren. Ein Vergleich mit theoretischen Rechnungen deutet darauf hin, dass der Kondoeffekt der magnetischen Yb3+-Ionen sich in der Tunnelleitfähigkeit widerspiegelt - bis hin zum Einfluss der sich ausbildenden räumlichen Kohärenz des Kondogitters bei tiefen Temperaturen. Diese Ergebnisse gewähren wichtige Einblicke in die thermische Entwicklung der elektronischen Korrelationen in Kondogitter-Systemen, und demonstrieren somit das große Potential der Rastertunnel-Spektroskopie für die weitere Erforschung der Schwere-Fermionen-Systeme. Die im Abschnitt 6.3 'Tunnelspektroskopie-Resultate an YbRh2Si2' dargestellten Ergebnisse sind in ähnlicher Form auch veröffentlicht in Nature Vol. 474 (2011), Seiten 362-366.

Seltenerd-Eisenpniktide ziehen gegenwärtig großes wissenschaftliches Interesse auf sich, da sie wegen der bei ihnen beobachteten Hochtemperatursupraleitung eine vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen Kuprat-Supraleitern darstellen. Neben der Supraleitung weisen diese Systeme ein breites Spektrum magnetischer Eigenschaften auf, die auf dem Wechselspiel von Eisen 3d- und Seltenerd-4f-Elektronen beruhen und teils in Konkurrenz zu, teils aber auch in Koexistenz mit der Supraleitung auftreten. Das theoretische Verständnis dieser Phänomene lässt noch viele Fragen offen, da sich vor allem die 4f-Elektronen infolge ihrer starken räumlichen Lokalisierung und der damit verbundenen hohen Coulomb-Korrelationsenergien einer einfachen Behandlung im Rahmen von Bandstrukturtheorien weitgehend entziehen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit winkelaufgelösten Photoemissionsuntersuchungen an CeFe2P2, CeFePO und CeFeP0.3As0.7O, bei denen Schwer-Fermionen-Verhalten bzw. Ferromagnetismus beobachtet werden kann. Die Wechselwirkung der 4f-Elektronen mit dem überwiegend von Fe 3d-Orbitalen abgeleiteten Valenzband spiegelt sich in den Spektren durch das Auftreten dispergierender Strukturen im Bereich der Kondoresonanz wider. Diese werden in der Arbeit auf der Grundlage von LDA-Bandstrukturrechnungen und dem Periodischen Andersonmodell, welches für einfache Fallbeispiele mittels der DMFT (Dynamical Mean Field Theory) gelöst wird, diskutiert. Anhand der experimentellen Beobachtungen wird ein Mechanismus für die in der Verbindungsklasse beobachteten magnetischen Übergänge, basierend auf charakteristischen Unterschieden in der Bandstruktur, vorgeschlagen sowie ein möglicher Zusammenhang mit der Supraleitung diskutiert.

CeCu_2Si_2 was the first heavy-fermion compound showing signatures of bulk superconductivity (T_c = 0.5 K). Further observations have put in evidence the correlations between superconductivity, magnetic order, Kondo physics, and quantum critical phenomena. In spite of the interest generated, a systematic study of such correlations was hampered by strong sample dependences. Fortunately, the inherent complexity associated to the stoichiometric composition has been recently understood. The availability of single-crystals with well-defined properties has thus reignited the interest in CeCu_2Si_2 as a window to novel phenomena, such as unconventional superconductivity. The present work summarizes the results of my doctoral research. It exemplifies the importance not only of high-quality materials, but also of suitable experimental techniques. A first step in this project involved the design of angle-dependent techniques in the milli-kelvin range, namely: electrical resistivity and thermal conductivity. It comprised the development of a rotational stage, the construction of sample holders, and the implementation of controlling and measuring components. In the second part of the project, electrical- and thermal-transport measurements on CeCu_2Si_2 were performed. Power-law behavior below T_c in the thermal conductivity suggests the presence of lines of nodes in the gap function. Also, the non-vanishing extrapolated residual terms (k_00/T ) support the presence of a residual density of states. The nodes are broadened by potential scattering, which appears to be significant in CeCu_2Si_2. The scattering hinders the determination of the symmetry of the order parameter and might be responsible for the observed isotropic angle dependence of the thermal conductivity. In contrast, angle-dependent measurements of the upper critical field exhibit a four-folded behavior, which also points towards the presence of nodes. By comparing with a weak-coupling model including the effects of Pauli limiting and anisotropic Fermi velocity, the results point towards a d_xy-wave symmetry of the order parameter. Such results represent the first angle-dependent measurements supporting a d-wave symmetry in CeCu_2Si_2.