Magnetoresistive effects are powerful tools for studying the intricate structure of solid state electronic systems, and have many applications in our current information technology. In particular, the electronic system reflects the crystal symmetry and the orbital structure of the atoms of a given solid, and thus is crucial to understanding magnetism, superconductivity and many other effects which are of key interest to current solid state research. Consequently, studies of the electrical transport properties of solid state matter allow to evaluate this imprint and in turn draw conclusions about the interactions within a material. In this thesis, we will exploit the capabilities of magnetotransport measurements to infer the properties of a multitude of magnetic systems. In turn, this allows us to push the understanding of transport phenomena in magnetic materials. The first part of this work is focused on the magnetoresistance observed in spin Hall active metals in contact with a magnetic insulator. In such bilayers, the interfacial spin accumulation caused by the spin Hall effect in the metal can interact with the magnetic insulator, giving rise to interesting magnetoresistive effects. In the framework of this thesis, bilayers with several magnetic insulators are studied, including antiferomagnets, ferrimagnets and paramagnets (disordered magnets). For the disordered magnetic insulators, we find that the established spin Hall magnetoresistance framework does not allow to consistently describe the observed transport response. Consequently, we propose an alternative explanation of the magnetoresistance in such heterostructures, using the Hanle magnetoresistance and assuming an interface which has a finite electrical conductivity. This alternative model can serve to generalize the theory of the spin Hall magnetoresistance, providing addition information on the microscopic picture for the loss of the transverse spin component. Additionally, by partly removing the magnetic insulator and studying the ensuing changes, we verify that magnons are crucial for the observation of a non-local magnetoresistance in bilayers of a magnetic insulator and a metal. Finally, the local and non-local spin Seebeck effect (i.e. the electric field generated by a thermally driven pure spin current) is investigated in bilayers of Cr2O3 and Pt where the occurrence of a spin superfluid ground state was reported. In our sample, however, the transport response is consistent with the antiferromagnetic spin Seebeck effect mediated by the small magnetic field induced magnetization also reported for other antiferromagnet/metal heterostructures. As such, we cannot verify the presence of a spin superfluid ground state in the system. In the second part of this thesis, the topological properties of the electronic system and the related changes of the magnetoelectric and magnetothermal transport response are investigated. To that end, we first demonstrate a novel measurement technique, the alternating thermal gradient technique, allowing to separate the relevant thermovoltages from spurious other voltages generated within the measurement setup. We employ this novel technique for measuring the topological Nernst effect in Mn 1.8 PtSn and show the possibility to combine the magnetoelectric and magnetothermal transport response to evaluate the presence of topological transport signatures without requiring magnetization measurements. Additionally, we show that the anomalous Nernst effect in the non-collinear antiferromagnet Mn3Sn is connected to the antiferromagnetic domain structure: Using spatially resolved measurements of the anomalous Nernst effect, direct access to the antiferromagnetic domain structure is demonstrated. Additionally, a thermally assisted domain writing scheme is implemented, allowing the preparation of Mn3Sn into a defined antiferromagnetic domain state.

Hall-effect thrusters (HETs) are among the most commonly used propulsion systems for attitude and orbit control of satellites. As an arrangement in a cluster or individually, equipped with a mechanical suspension, thrust in all three spatial directions can be generated, but requires additional mechanisms and components. Therefore, the Technische Universität Dresden (TU Dresden) is currently working on a concept for developing a Hall-effect thruster with integrated thrust vector control, which would allow steering in all three spatial directions with just a single thruster. This new concept is intended to work solely by influencing the ion beam and should not have any additional mechanical components. The HET will come with a segmented anode to set different electrical potentials at the anode and cause an inhomogeneous distribution of the electric field within the discharge channel, which results in an inhomogeneous force vector distribution at the exit plane. It is assumed that this will generate turning moments around the center of gravity. Deliberately causing those turning moments can therefore be used for steering with just one thruster. This work presents the concept of the propulsion system, gives an outlook on the advantages of its technology and shows capabilities for space applications.

In an electron fluid, both resistive and viscous mechanisms can be present. In systems with perfect translational invariance momentum is a conserved quantity, and as the electrons carry both charge and momentum, the current cannot decay. Predictions from theories at the particle physics-condensed matter physics interface using the `AdS/CFT' correspondence suggest that hydrodynamic charge flow might exist in some exotic metallic states. In the high-Tc cuprates the T-linear resistivity in the strange metal regime is conjectured to be due to hydrodynamic effects. In this dissertation, I start out drawing a theoretical outline of the hydrodynamic theory of electron transport in solids. In the search for a high purity metal that can host such a hydrodynamic electron transport, we looked at the non-magnetic delafossite oxides PdCoO2 and PtCoO2, which have the highest conductivities of any known oxides, and whose key properties I will review. As the signatures of viscosity can only be realised in transport through boundary scattering, the samples had to be taken down to the mesoscopic limit, where the momentum conserving and relaxing scattering mean free paths of the material are comparable to the channel width. I will discuss the focussed ion beam (FIB) micro-structuring technique that I have implemented to fabricate the mesoscopic devices. To interpret the transport in the mesoscopic regime, a comprehensive understanding of the bulk transport is first necessary and I will present my measurements of the magnetoresistance and Hall effect in both materials, which show deviations from the predictions of standard models highlighting some intriguing physics even in the bulk limit. Finally, I will present the data from magnetotransport measurements at the mesoscopic limit. Magnetic field introduces a variable length scale, the cyclotron radius, in the system which can be used to tune through different transport regimes. I will discuss the ballistic and hydrodynamic signatures in the transport that becomes accessible through magnetic field tuning in the mesoscopic samples of the delafossites PdCoO2 and PdCoO2.

The work presented in this thesis encompasses the design, development, realization and testing of novel magnetoelectric thin film elements that do not rely on ferromagnets, but are based entirely on magnetoelectric antiferromagnets such as Cr2O3. Thin film spintronic elements, and in particular magnetoelectric transducers, are crucial building blocks of high efficiency data processing schemes that could complement conventional electronic data processing in the future. Recent developments in magnetoelectrics have revealed, that exchange biased systems are ill-suited to electric field induced switching of magnetization due to the strong coupling of their ferromagnetic layer to magnetic fields. Therefore, ferromagnet-free magnetoelectric elements are proposed here in an effort to mitigate the practical problems associated with existing exchange biased magnetoelectric elements. This goal is achieved by establishing an all-electric read-out method for the antiferromagnetic order parameter of thin films, which allows to omit the ferromagnet from conventional exchange biased magnetoelectric elements. The resulting ferromagnet-free magnetoelectric elements show greatly reduced writing thresholds, enabled operation at room temperature and do not require a pulsed magnetic field, all of which is in contrast to state-of-the-art exchange biased magnetoelectric systems. The novel all-electric read-out method of the magnetic field-invariant magnetization of antiferromagnets, so-called spinning-current anomalous Hall magnetometry, can be widely employed in other areas of thin film magnetism. Its high precision and its sensitivity to previously invisible phenomena make it a promising tool for various aspects of thin solid films. Based on this technique, a deep understanding could be generated as to what physical mechanisms drive the antiferromagnetic ordering in thin films of magnetoelectric antiferromagnets. As spinning-current anomalous Hall magnetometry is an integral probe of the magnetic properties in thin films, it offers no intrinsic scale sensitivity. In order to harness its great precision for scale related information, a statistical framework was developed, which links macroscopic measurements with microscopic properties such as the antiferromagnetic domain size.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es neue Wege aufzuzeigen, mit deren Hilfe Modelle der chemischen Bindung in intermetallischen Verbindungen entwickelt werden können. Diese Modelle sollten sowohl auf experimentelle als auch auf quantenchemische Befunde gestützt und physikalisch sinnvoll sein. Untersuchungsobjekt waren intermetallische AB2-Verbindungen mit der Struktur des CuAl2-Typs. Von den vielen Vertretern wurden drei Substanzklassen mit insgesamt sechs Verbindungen gewählt, nämlich CuAl2, die Stannide (MnSn2, FeSn2 und CoSn2) sowie die Antimonide (TiSb2 und VSb2). Für die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Verbindungen wurden Einkristalle mit verschiedenen synthetischen Methoden (Antimonide und Stannide: Synthese in der Schmelze; FeSn2: chemischer Transport; CuAl2: modifiziertes Bridgman-Verfahren) hergestellt. Für alle Verbindungen wurden Einkristallstrukturanalysen durchgeführt, die die aus der Literatur bekannten Strukturlösungen deutlich verbessern konnten. An die Ermittlung der Existenzbedingungen schloss sich die Charakterisierung der Verbindungen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften an. Informationen über Art und Stärke der chemischen Bindung wurden anhand von polarisierten Raman-Messungen an orientierten Einkristallen, Ermittlung der Hall-Tensor- und Widerstands-Tensor-Komponenten, XAS-Spektren und Hochdruckuntersuchungen ermittelt. Um die experimentell bestimmten Eigenschaften der Verbindungen besser verstehen zu können, wurden quantenchemische Berechnungen an den Verbindungen durchgeführt. Auf der Basis von TB-LMTO-ASA-Berechnungen wurden die Bandstrukturen und die DOS der Verbindungen ermittelt. Die anschließende Berechnung der ELF gab Hinweise auf die Bindungstopologie in den Verbindungen. Demnach ändert sich die Topologie der chemischen Bindung mit dem konstituierenden Hauptgruppenmetall und alle bindenden Wechselwir­kungen in den Verbindungen besitzen kovalenten Charakter. Zusätzlich wurden anhand von Frozen-Phonon-Berechnungen mittels LAPW-Berechnungen die Schwingungsfrequenzen der Raman-aktiven Moden der Verbindungen TiSb2, VSb2 und CuAl2 ermittelt, wodurch die experimentelle Symmetriezuordnung bestätigt werden konnte. In Zusammenarbeit mit Herrn Dr. A. Yaresko (Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden) wurden die Hall-Tensor-Komponenten der Verbindungen berechnet. Aus der großen Anzahl an Daten über die Verbindungen wurden anschließend Modelle der chemischen Bindung erstellt. Zunächst wurde anhand der Bindungs-Topologie aus den ELF-Berechnungen der Ort der partiell kovalenten Bindungen im Realraum erfasst. Basierend auf dieser Bindungstopologie wurden mit Hilfe von Kraftkonstanten-Modellen die Bindungsstärken auf der Grundlage der Raman-Daten ermittelt. Die erhaltenen Modelle wurden aufgrund von berechneten Phononen-Dispersions-Diagrammen auf ihre mechanische Stabilität hin überprüft. Die experimentellen Bindungsordnungen der verschiedenen Bindungen wurden durch Vergleich mit spektroskopischen Daten von überwiegend metallorganischen Verbindungen aus der Literatur ermittelt. Abschließend wurde die Art der chemischen Bindung aufgrund der ELF-Berechnungen, relativen Raman-Intensitäten und Daten aus der Literatur über Mößbauer- und NMR-Untersuchungen sowie den Eigenschaften der Verbindungen abgeleitet. Demnach herrscht die kovalente Bindung in diesen Verbindungen vor, zusätzlich sind jedoch freie Ladungsträger vorhanden, die für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich sind. Den Abschluss der Arbeit bildet ein Vergleich der verschiedenen Verbindungen hinsichtlich Topologie, Art und Stärke der chemischen Bindung und eine Weiterentwicklung der Strukturtheorie des CuAl2-Typs. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wesentliche und neue Beiträge zum Verständnis der chemischen Bindung in intermetallischen Verbindungen mit der Struktur des CuAl2-Typs erarbeitet werden.

The dissertation covers phase transitions in the realm of the Anderson model of localization on topologically disordered Voronoi-Delaunay lattices. The disorder is given by random connections which implies correlations due to the restrictive lattice construction. Strictly speaking, the system features "strong anticorrelation", which is responsible for quenched long-range fluctuations of the coordination number. This attribute leads to violations of universal behavior in various system, e.g. Ising and Potts model, and to modifications of the Harris and the Imry-Ma criteria. In general, these exceptions serve to further understanding of critical phenomena. Hence, the question arises whether such deviations also occur in the realm of the Anderson model of localization in combination with random Voronoi-Delaunay lattice. For this purpose, four cases, which are distinguished by the spatial dimension of the systems and by the presence or absence of a magnetic field, are investigated by means of two different methods, i.e the multifractal analysis and the recursive Green function approach. The behavior is classified by the existence and type of occurring phase transitions and by the critical exponent v of the localization length. The results for the four cases can be summarized as follows. In two-dimensional systems, no phase transitions occur without a magnetic field, and all states are localized as a result of topological disorder. The behavior changes under the influence of the magnetic field. There are so-called quantum Hall transitions, which are phase changes between two localized regions. For low magnetic field strengths, the resulting exponent v ≈ 2.6 coincides with established values in literature. For higher strengths, an increased value, v ≈ 2.9, was determined. The deviations are probably caused by so-called Landau level coupling, where electrons scatter between different Landau levels. In contrast, the principle behavior in three-dimensional systems is equal in both cases. Two localization-delocalization transitions occur in each system. For these transitions the exponents v ≈ 1.58 and v ≈ 1.45 were determined for systems in absence and in presence of a magnetic field, respectively. This behavior and the obtained values agree with known results, and thus no deviation from the universal behavior can be observed. / Diese Dissertation behandelt Phasenübergange im Rahmen des Anderson-Modells der Lokalisierung in topologisch ungeordneten Voronoi-Delaunay-Gittern. Die spezielle Art der Unordnung spiegelt sich u.a. in zufälligen Verknüpfungen wider, welche aufgrund der restriktiven Gitterkonstruktion miteinander korrelieren. Genauer gesagt zeigt das System eine "starke Antikorrelation", die dafür sorgt, dass langreichweitige Fluktuationen der Verknüpfungszahl unterdrückt werden. Diese Eigenschaft hat in anderen Systemen, z.B. im Ising- und Potts-Modell, zur Abweichung vom universellen Verhalten von Phasenübergängen geführt und bewirkt eine Modifikation von allgemeinen Aussagen, wie dem Harris- and Imry-Ma-Kriterium. Die Untersuchung solcher Ausnahmen dient zur Weiterentwicklung des Verständnisses von kritischen Phänomenen. Somit stellt sich die Frage, ob solche Abweichungen auch im Anderson-Modell der Lokalisierung unter Verwendung eines solchen Gitters auftreten. Dafür werden insgesamt vier Fälle, welche durch die Dimension des Gitters und durch die An- bzw. Abwesenheit eines magnetischen Feldes unterschieden werden, mit Hilfe zweier unterschiedlicher Methoden, d.h. der Multifraktalanalyse und der rekursiven Greensfunktionsmethode, untersucht. Das Verhalten wird anhand der Existenz und Art der Phasenübergänge und anhand des kritischen Exponenten v der Lokalisierungslänge unterschieden. Für die vier Fälle lassen sich die Ergebnisse wie folgt zusammenfassen. In zweidimensionalen Systemen treten ohne Magnetfeld keine Phasenübergänge auf und alle Zustände sind infolge der topologischen Unordnung lokalisiert. Unter Einfluss des Magnetfeldes ändert sich das Verhalten. Es kommt zur Ausformung von Landau-Bändern mit sogenannten Quanten-Hall-Übergängen, bei denen ein Phasenwechsel zwischen zwei lokalisierten Bereichen auftritt. Für geringe Magnetfeldstärken stimmen die erzielten Ergebnisse mit den bekannten Exponenten v ≈ 2.6 überein. Allerdings wurde für stärkere magnetische Felder ein höherer Wert, v ≈ 2.9, ermittelt. Die Abweichungen gehen vermutlich auf die zugleich gestiegene Unordnungsstärke zurück, welche dafür sorgt, dass Elektronen zwischen verschiedenen Landau-Bändern streuen können und so nicht das kritische Verhalten eines reinen Quanten-Hall-Überganges repräsentieren. Im Gegensatz dazu ist das Verhalten in dreidimensionalen Systemen für beide Fälle ähnlich. Es treten in jedem System zwei Phasenübergänge zwischen lokalisierten und delokalisierten Bereichen auf. Für diese Übergänge wurde der Exponent v ≈ 1.58 ohne und v ≈ 1.45 unter Einfluss eines magnetischen Feldes ermittelt. Dieses Verhalten und die jeweils ermittelten Werte stimmen mit bekannten Ergebnissen überein. Eine Abweichung vom universellen Verhalten wird somit nicht beobachtet.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es neue Wege aufzuzeigen, mit deren Hilfe Modelle der chemischen Bindung in intermetallischen Verbindungen entwickelt werden können. Diese Modelle sollten sowohl auf experimentelle als auch auf quantenchemische Befunde gestützt und physikalisch sinnvoll sein. Untersuchungsobjekt waren intermetallische AB2-Verbindungen mit der Struktur des CuAl2-Typs. Von den vielen Vertretern wurden drei Substanzklassen mit insgesamt sechs Verbindungen gewählt, nämlich CuAl2, die Stannide (MnSn2, FeSn2 und CoSn2) sowie die Antimonide (TiSb2 und VSb2). Für die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Verbindungen wurden Einkristalle mit verschiedenen synthetischen Methoden (Antimonide und Stannide: Synthese in der Schmelze; FeSn2: chemischer Transport; CuAl2: modifiziertes Bridgman-Verfahren) hergestellt. Für alle Verbindungen wurden Einkristallstrukturanalysen durchgeführt, die die aus der Literatur bekannten Strukturlösungen deutlich verbessern konnten. An die Ermittlung der Existenzbedingungen schloss sich die Charakterisierung der Verbindungen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften an. Informationen über Art und Stärke der chemischen Bindung wurden anhand von polarisierten Raman-Messungen an orientierten Einkristallen, Ermittlung der Hall-Tensor- und Widerstands-Tensor-Komponenten, XAS-Spektren und Hochdruckuntersuchungen ermittelt. Um die experimentell bestimmten Eigenschaften der Verbindungen besser verstehen zu können, wurden quantenchemische Berechnungen an den Verbindungen durchgeführt. Auf der Basis von TB-LMTO-ASA-Berechnungen wurden die Bandstrukturen und die DOS der Verbindungen ermittelt. Die anschließende Berechnung der ELF gab Hinweise auf die Bindungstopologie in den Verbindungen. Demnach ändert sich die Topologie der chemischen Bindung mit dem konstituierenden Hauptgruppenmetall und alle bindenden Wechselwir­kungen in den Verbindungen besitzen kovalenten Charakter. Zusätzlich wurden anhand von Frozen-Phonon-Berechnungen mittels LAPW-Berechnungen die Schwingungsfrequenzen der Raman-aktiven Moden der Verbindungen TiSb2, VSb2 und CuAl2 ermittelt, wodurch die experimentelle Symmetriezuordnung bestätigt werden konnte. In Zusammenarbeit mit Herrn Dr. A. Yaresko (Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden) wurden die Hall-Tensor-Komponenten der Verbindungen berechnet. Aus der großen Anzahl an Daten über die Verbindungen wurden anschließend Modelle der chemischen Bindung erstellt. Zunächst wurde anhand der Bindungs-Topologie aus den ELF-Berechnungen der Ort der partiell kovalenten Bindungen im Realraum erfasst. Basierend auf dieser Bindungstopologie wurden mit Hilfe von Kraftkonstanten-Modellen die Bindungsstärken auf der Grundlage der Raman-Daten ermittelt. Die erhaltenen Modelle wurden aufgrund von berechneten Phononen-Dispersions-Diagrammen auf ihre mechanische Stabilität hin überprüft. Die experimentellen Bindungsordnungen der verschiedenen Bindungen wurden durch Vergleich mit spektroskopischen Daten von überwiegend metallorganischen Verbindungen aus der Literatur ermittelt. Abschließend wurde die Art der chemischen Bindung aufgrund der ELF-Berechnungen, relativen Raman-Intensitäten und Daten aus der Literatur über Mößbauer- und NMR-Untersuchungen sowie den Eigenschaften der Verbindungen abgeleitet. Demnach herrscht die kovalente Bindung in diesen Verbindungen vor, zusätzlich sind jedoch freie Ladungsträger vorhanden, die für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich sind. Den Abschluss der Arbeit bildet ein Vergleich der verschiedenen Verbindungen hinsichtlich Topologie, Art und Stärke der chemischen Bindung und eine Weiterentwicklung der Strukturtheorie des CuAl2-Typs. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wesentliche und neue Beiträge zum Verständnis der chemischen Bindung in intermetallischen Verbindungen mit der Struktur des CuAl2-Typs erarbeitet werden.

In den letzten Jahren führte die Verbindung zwischen Topologie und kondensierter Materie zur Entdeckung vieler interessanter und exotischer elektronischer Effekte. Während sich die Forschung anfangs auf elektronische Systeme mit einer Bandlücke wie den topologischen Isolator konzentrierte, erhalten in letzter Zeit topologische Halbmetalle viel Aufmerksamkeit. Das bekannteste Beispiel sind Weyl-Halbmetalle, die an beliebigen Punkten in der Brillouin-Zone lineare Kreuzungen von nicht entarteten Bändern aufweist. An diese Punkte ist eine spezielle Quantenzahl namens Chiralität gebunden, die die Existenz von Weyl-Punktpaaren erzwingt. Diese Paare sind topologisch geschützt und wirken als Quellen und Senken der Berry-Krümmung, einem topologischen Feld im reziproken Raum. Diese Berry-Krümmung steht in direktem Zusammenhang mit dem anomalen Hall-Effekt, der die Entstehung einer Querspannung aus einem Längsstrom in einem magnetischen Material beschreibt. Analog existiert auch der anomale Nernst-Effekt, bei dem der longitudinale Strom durch einen thermischen Gradienten ersetzt wird. Dieser Effekt ermöglicht die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und ist zudem stark an die Berry-Krümmung gebunden. In dieser Arbeit werden die anomalen Transporteffekte zunächst in fundamentalen Modellsystemen untersucht. Hier wird eine Kombination aus analytischen und numerischen Methoden verwendet, um Quantisierungen sowohl des Hall- und Nernst- als auch des thermischen Hall-Effekts in zweidimensionalen Systemen mit und ohne externen Magnetfeldern zu zeigen. Eine Erweiterung in drei Dimensionen zeigt eine Quasi-Quantisierung, bei der die Leitfähigkeiten Werte der jeweiligen zweidimensionalen Quanten skaliert durch charakteristische Wellenvektoren annehmen. Im nächsten Schritt werden verschiedene Mechanismen zur Erzeugung starker Berry-Krümmung und damit großer anomaler Hall- und Nernst-Effekte sowohl in Modellsystemen als auch in realen Materialien untersucht. Dies ermöglicht die Identifizierung und Isolierung vielversprechender Effekte in den einfachen Modellen, in denen wichtige Merkmale untersucht werden können. Die Ergebnisse können dann auf die realen Materialien übertragen werden, wo die jeweiligen Effekte erkennbar sind. Hier werden sowohl Weyl-Punkte als auch Knotenlinien in Kombination mit Magnetismus als vielversprechende Eigenschaften identifiziert und Materialrealisierungen in der Klasse der Heusler-Verbindungen vorgeschlagen. Diese Verbindungen sind eine sehr vielseitige Materialklasse, in der unter anderem auch magnetische topologische Metalle zu finden sind. Um ein tieferes Verständnis der anomalen Transporteffekte zu erhalten sowie Faustregeln für Hochleistungsverbindungen abzuleiten, wurde eine High-Throughput-Rechnung von magnetisch-kubischen Voll-Heusler-Verbindungen durchgeführt. Diese Berechnung zeigt die Bedeutung von Spiegelebenen in magnetischen Materialien für große anomale Hall- und Nernst-Effekte und zeigt, dass einige der Heusler-Verbindungen die höchsten bisher berichteten Literaturwerte bei diesen Effekten übertreffen. Auch andere interessante Effekte im Zusammenhang mit Weyl-Punkten werden untersucht. Beim bekannten Weyl-Halbmetall NbP weisen die Weyl-Punkte aufgrund der hohen Symmetrie des Kristalls eine hohe Entartung auf. Die Anwendung von einachsigem Zug reduziert jedoch die Symmetrien und hebt damit die Entartungen auf. Eine theoretische Untersuchung zeigt, dass die Weyl-Punkte bei einachsigem Zug energetisch verschoben werden und, was noch wichtiger ist, dass sie bei realistischen Werten das Fermi-Niveau durchschreiten. Dies macht NbP zu einer vielversprechenden Plattform, um die Weyl-Physik weiter zu untersuchen. Die theoretischen Ergebnisse werden mit experimentellen Messungen von Shubnikov-de-Haas-Oszillationen unter einachsigem Zug kombiniert und es wird eine gute Übereinstimmung mit den theoretischen Ergebnissen gefunden. Als erster Schritt in Richtung neuer Berechnungsmethoden wird die Idee eines Weyl-Halbmetall-basierten Chiralitätsfilters für Elektronen untersucht. An der Grenzfläche zweier Weyl-Halbmetalle kann in Abhängigkeit von den genauen Weyl-Punktparametern nur eine Chiralität übertragen werden. Hier wird ein effektives geometrisches Modell erstellt und zur Untersuchung realer Materialgrenzflächen eingesetzt. Während im Allgemeinen eine Filterwirkung möglich erscheint, zeigten die untersuchten Materialien keine geeignete Kombination. Hier können weitere Studien mit Fokus auf magnetische Weyl-Halbmetalle oder Multifold-Fermion-Materialien durchgeführt werden.:List of publications Preface 1. Theoretical background 1.1. Berry curvature and Weyl semimetals 1.1.1. From the adiabatic evolution to the Berry phase 1.1.2. From the Berry phase to the Berry curvature 1.1.3. Topological phases of condensed matter 1.1.4. Weyl semimetals 1.1.5. Dirac semimetals 1.1.6. Nodal line semimetals 1.2. Density-functional theory 1.2.1. Born-Oppenheimer approximation 1.2.2. Hohenberg-Kohn theorems 1.2.3. Kohn-Sham formalism 1.2.4. Exchange-correlation functional 1.2.5. Pseudopotentials 1.2.6. Basis functions 1.2.7. VASP 1.3. Tight-binding Hamiltonian from Wannier functions 1.3.1. Wannier functions 1.3.2. Constructing Wannier functions from DFT 1.3.3. Generating a Wannier tight-binding Hamiltonian 1.3.4. Necessity of the tight-binding Hamiltonian 1.4. Linear response theory 1.4.1. General introduction to linear response 1.4.2. Anomalous Hall effect 1.4.3. Anomalous Nernst effect 1.4.4. Anomalous thermal Hall effect 1.4.5. Common features of anomalous transport effects 1.4.6. Symmetry considerations for Berry curvature related transport effects 1.4.7. Magneto-optic Kerr effect 1.4.8. About the efficiency of the calculations 2. (Quasi-)Quantization in the Hall, thermal Hall, and Nernst effects 2.1. Quantization with an external magnetic field 2.1.1. Two-dimensional case 2.1.2. Three-dimensional case 2.2. Quantization without an external field 2.2.1. Two-dimensional case 2.2.2. Three-dimensional case . 2.3. A remark on the spin Hall effect 2.4. A remark on the quasi-quantization of the three-dimensional conductivities 2.5. Conclusions 3. Understanding anomalous transport 3.1. Anomalous transport without a net magnetic moment 3.1.1. Toy model 3.1.2. Ti2MnAl and related compounds 3.2. Large Berry curvature enhancement from nodal line gapping 3.2.1. Toy model 3.2.2. Fe2MnP and related compounds 3.2.3. Co2MnGa 3.3. Topological features away from the Fermi level and the anomalous Nernst effect 3.3.1. Toy model . 3.3.2. Co2FeGe and Co2FeSn 3.4. Conclusions 4. Heusler database calculation 4.1. Workflow 4.2. Importance of mirror planes 4.3. The right valence electron count 4.4. Correlation between anomalous Hall and Nernst effects 4.5. Selected special compounds 4.6. Conclusions 5. NbP under uniaxial strain 5.1. NbP and its symmetries 5.2. The influence of strain on the electronic structure 5.2.1. Shifting of the Weyl points 5.2.2. Splitting of the Fermi surfaces 5.3. Comparison with experimental results 5.4. Conclusions 6. A tunable chirality filter 6.1. Concept 6.2. Geometrical simplification and expansion for more Weyl points 6.3. Material selection 6.3.1. Workflow 6.3.2. Results for NbP and TaAs 6.3.3. Results for Ag2Se and Ag2S 6.4. Conclusions and perspective . Summary and outlook A. Numerical tricks A.1. Hamiltonian setup at several k points at once A.2. Precalculating prefactors B. Derivation of the conductivity (quasi-)quanta B.1. Two dimensions B.1.1. General formula and necessary approximations B.1.2. Useful integrals B.1.4. Quantized thermal Hall effect B.1.5. Quantized Nernst effect B.1.6. Flat bands and the Nernst effect B.2. Three dimensions B.2.1. General formula B.2.2. Three-dimensional electron gas B.2.3. Three-dimensional Weyl semimetal C. Heusler database tables D. Details on the NbP strain calculations E. Details on the geometrical matching procedure References List of abbreviations List of Figures List of Tables Acknowledgements Eigenständigkeitserklärung / In recent years, the connection between topology and condensed matter resulted in the discovery of many interesting and exotic electronic effects. While in the beginning, the research was focused on gapped electronic systems like the topological insulator, more recently, topological semimetals are getting a lot of attention. The most well-known example is the Weyl semimetal, which hosts linear crossings of non-degenerate bands at arbitrary points in the Brillouin zone. Tied to these points there is a special quantum number called chirality, which enforces the existence of Weyl point pairs. These pairs are topologically protected and act as sources and sinks of the Berry curvature, a topological field in reciprocal space. This Berry curvature is directly connected to the anomalous Hall effect, which describes the emergence of a transverse voltage from a longitudinal current in a magnetic material. Analogously, there also exists the anomalous Nernst effect, where the longitudinal current is replaced by a thermal gradient. This effect allows for the conversion of heat into electrical energy and is also strongly tied to the Berry curvature. In this work, the anomalous transport effects are at first studied in fundamental model systems. Here, a combination of analytical and numerical methods is used to reveal quantizations in both the Hall, the Nernst, and the thermal Hall effects in two-dimensional systems with and without external magnetic fields. An expansion into three dimensions shows a quasi-quantization, where the conductivities take values of the respective two-dimensional quanta scaled by characteristic wavevectors. In the next step, several mechanisms for the generation of strong Berry curvature and thus large anomalous Hall and Nernst effects are studied in both model systems and real materials. This allows for the identification and isolation of promising effects in the simple models, where important features can be studied. The results can then be applied to the real materials, where the respective effects can be recognized. Here, both Weyl points and nodal lines in combination with magnetism are identified as promising features and material realizations are proposed in the class of Heusler compounds. These compounds are a very versatile class of materials, where among others also magnetic topological metals can be found. To get a deeper understanding of the anomalous transport effects as well as to derive guidelines for high-performance compounds, a high-throughput calculation of magnetic cubic full Heusler compounds was carried out. This calculation reveals the importance of mirror planes in magnetic materials for large anomalous Hall and Nernst effects and shows that some of the Heusler compounds outperform the highest so-far reported literature values in these effects. Also other interesting effects related to Weyl points are investigated. In the well-known Weyl semimetal NbP, the Weyl points have a high degeneracy due to the high symmetry of the crystal. However, the application of uniaxial strain reduces the symmetries and therefore lifts the degeneracies. A theoretical investigation shows, that the Weyl points are moved in energy under uniaxial strain and, more importantly, that at reasonable strain values they cross the Fermi level. This renders NbP a promising platform to further study Weyl physics. The theoretical results are combined with experimental measurements of Shubnikov-de Haas oscillations under uniaxial strain and a good agreement with the theoretical results is found. As a first step in the direction of new ways of computation, an idea of a Weyl semimetal based chirality filter for electrons is investigated. At the interface of two Weyl semimetals, depending on the exact Weyl point parameters, it is possible to transmit only one chirality. Here, an effective geometrical model is established and employed for the investigation of real material interfaces. While in general, a filtering effect seems possible, the investigated materials did not show any suitable combination. Here, further studies can be made with the focus on either magnetic Weyl semimetals of multifold-fermion materials.:List of publications Preface 1. Theoretical background 1.1. Berry curvature and Weyl semimetals 1.1.1. From the adiabatic evolution to the Berry phase 1.1.2. From the Berry phase to the Berry curvature 1.1.3. Topological phases of condensed matter 1.1.4. Weyl semimetals 1.1.5. Dirac semimetals 1.1.6. Nodal line semimetals 1.2. Density-functional theory 1.2.1. Born-Oppenheimer approximation 1.2.2. Hohenberg-Kohn theorems 1.2.3. Kohn-Sham formalism 1.2.4. Exchange-correlation functional 1.2.5. Pseudopotentials 1.2.6. Basis functions 1.2.7. VASP 1.3. Tight-binding Hamiltonian from Wannier functions 1.3.1. Wannier functions 1.3.2. Constructing Wannier functions from DFT 1.3.3. Generating a Wannier tight-binding Hamiltonian 1.3.4. Necessity of the tight-binding Hamiltonian 1.4. Linear response theory 1.4.1. General introduction to linear response 1.4.2. Anomalous Hall effect 1.4.3. Anomalous Nernst effect 1.4.4. Anomalous thermal Hall effect 1.4.5. Common features of anomalous transport effects 1.4.6. Symmetry considerations for Berry curvature related transport effects 1.4.7. Magneto-optic Kerr effect 1.4.8. About the efficiency of the calculations 2. (Quasi-)Quantization in the Hall, thermal Hall, and Nernst effects 2.1. Quantization with an external magnetic field 2.1.1. Two-dimensional case 2.1.2. Three-dimensional case 2.2. Quantization without an external field 2.2.1. Two-dimensional case 2.2.2. Three-dimensional case . 2.3. A remark on the spin Hall effect 2.4. A remark on the quasi-quantization of the three-dimensional conductivities 2.5. Conclusions 3. Understanding anomalous transport 3.1. Anomalous transport without a net magnetic moment 3.1.1. Toy model 3.1.2. Ti2MnAl and related compounds 3.2. Large Berry curvature enhancement from nodal line gapping 3.2.1. Toy model 3.2.2. Fe2MnP and related compounds 3.2.3. Co2MnGa 3.3. Topological features away from the Fermi level and the anomalous Nernst effect 3.3.1. Toy model . 3.3.2. Co2FeGe and Co2FeSn 3.4. Conclusions 4. Heusler database calculation 4.1. Workflow 4.2. Importance of mirror planes 4.3. The right valence electron count 4.4. Correlation between anomalous Hall and Nernst effects 4.5. Selected special compounds 4.6. Conclusions 5. NbP under uniaxial strain 5.1. NbP and its symmetries 5.2. The influence of strain on the electronic structure 5.2.1. Shifting of the Weyl points 5.2.2. Splitting of the Fermi surfaces 5.3. Comparison with experimental results 5.4. Conclusions 6. A tunable chirality filter 6.1. Concept 6.2. Geometrical simplification and expansion for more Weyl points 6.3. Material selection 6.3.1. Workflow 6.3.2. Results for NbP and TaAs 6.3.3. Results for Ag2Se and Ag2S 6.4. Conclusions and perspective . Summary and outlook A. Numerical tricks A.1. Hamiltonian setup at several k points at once A.2. Precalculating prefactors B. Derivation of the conductivity (quasi-)quanta B.1. Two dimensions B.1.1. General formula and necessary approximations B.1.2. Useful integrals B.1.4. Quantized thermal Hall effect B.1.5. Quantized Nernst effect B.1.6. Flat bands and the Nernst effect B.2. Three dimensions B.2.1. General formula B.2.2. Three-dimensional electron gas B.2.3. Three-dimensional Weyl semimetal C. Heusler database tables D. Details on the NbP strain calculations E. Details on the geometrical matching procedure References List of abbreviations List of Figures List of Tables Acknowledgements Eigenständigkeitserklärung

Topologically ordered phases flamboyance a cornucopia of intriguing phenomena that cannot be perceived in the conventional phases including the most striking property of hosting anyon quasiparticles having fractional charges and fractional statistics. Such phases were discovered with the remarkable experiment of the fractional quantum Hall effect and are drawing a lot of recognition. Realization of these phases on lattice systems and study of the anyon quasiparticles there are important and interesting avenue to research in unraveling new physics, which can not be found in the continuum, and this thesis is an important contribution in that direction. Also such lattice models hosting anyons are particularly important to control the movement of anyons while experimentally implemented with ultra-cold atoms in optical lattices. We construct lattice models by implementing analytical states and parent Hamiltonians on two-dimensional plane hosting non-Abelian anyons, which are proposed candidates for quantum computations. Such lattice models are suitable to create both quasiholes and quasielectrons in the similar way and thereby avoiding the singularity problem for the quasielectrons in continuum. Anyons in these models are found to be well-screened with proper charges and right statistics. Going beyond two dimensions, we unravel the intriguing physics of topologically ordered phases of matter in fractional dimensions such as in the fractal lattices by employing our model constructions of analytical states and parent Hamiltonians there. We find the anyons to be well-screened with right charges and statistics for all dimensions. Our work takes the first step in bridging the gap between two dimensions and one dimension in addressing topological phases which reveal new physics. Our constructions are particularly important in this context since such lattices lack translational symmetry and hence become unsuitable for the fractional Chern insulator implementations. The special features of topologically ordered phases make these difficult to probe and hence the detection of topological quantum phase transitions becomes challenging. The existing probes suffer from shortcomings uo-to a large extent and therefore construction of new type of probes become important and are on high demand. The robustness of anyon properties draw our attention to propose these as detector of topological quantum phase transitions with significant advantages including the facts that these are numerically cheaper probes and are independent of the boundary conditions. We test our probe in three different examples and find that simple properties like anyon charges detect the transitions. / Topologisch geordnete Phasen extravagieren ein Füllhorn faszinierender Phänomene, die in den herkömmlichen Phasen nicht wahrgenommen werden können, einschließlich der auffälligsten Eigenschaft, Quasiteilchen mit fraktionierten Ladungen und fraktion- ierten Statistiken aufzunehmen. Solche Phasen wurden mit dem bemerkenswerten Exper- iment des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts entdeckt und finden viel Anerkennung. Die Realisierung dieser Phasen auf Gittersystemen und die Untersuchung der Anyon- Quasiteilchen sind wichtige und interessante Wege zur Erforschung der Entschlüsselung neuer Physik, die im Kontinuum nicht zu finden sind, und diese These ist ein wichtiger Beitrag in diese Richtung. Auch solche Gittermodelle, die Anyons enthalten, sind beson- ders wichtig, um die Bewegung von Anyons zu steuern, während sie experimentell mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern implementiert werden. Wir konstruieren Gittermodelle, indem wir analytische Zustände und Eltern-Hamiltonianer auf einer zwei- dimensionalen Ebene implementieren, die nicht-abelsche Anyons enthält, die als Kan- didaten für Quantenberechnungen vorgeschlagen werden. Solche Gittermodelle sind geeignet, sowohl Quasi-Löcher als auch Quasielektronen auf ähnliche Weise zu erzeu- gen und dadurch das Singularitätsproblem für die Quasielektronen im Kontinuum zu vermeiden. Jeder in diesen Modellen wird mit angemessenen Gebühren und richtigen Statistiken gut überprüft. Über zwei Dimensionen hinaus enträtseln wir die faszinierende Physik topologisch geordneter Phasen der Materie in fraktionierten Dimensionen wie in den fraktalen Gittern, indem wir dort unsere Modellkonstruktionen von analytischen Zuständen und Eltern-Hamiltonianern verwenden. Wir finden, dass die Anyons mit den richtigen Gebühren und Statistiken für alle Dimensionen gut überprüft werden. Unsere Arbeit macht den ersten Schritt, um die Lücke zwischen zwei Dimensionen und einer Dimension zu schließen und topologische Phasen anzugehen, die neue Physik enthüllen. Unsere Konstruktionen sind in diesem Zusammenhang besonders wichtig, da solche Gitter keine Translationssymmetrie aufweisen und daher für die fraktionierten Chern- Isolatorimplementierungen ungeeignet werden. Die besonderen Merkmale topologisch geordneter Phasen machen es schwierig, diese zu untersuchen, und daher wird die Detek- tion topologischer Quantenphasenübergänge schwierig. Die vorhandenen Sonden leiden in hohem Maße unter Mängeln, weshalb die Konstruktion neuer Sondenarten wichtig wird und eine hohe Nachfrage besteht. Die Robustheit der Anyon-Eigenschaften lenkt unsere Aufmerksamkeit darauf, diese als Detektor für topologische Quantenphasenübergänge mit signifikanten Vorteilen vorzuschlagen, einschließlich der Tatsache, dass dies numerisch billigere Sonden sind und von den Randbedingungen unabhängig sind. Wir testen unsere Sonde in drei verschiedenen Beispielen und stellen fest, dass einfache Eigenschaften wie Ladungen die Übergänge erfassen.

This bachelor’s thesis aims to show an extensive overview of all the parts that build up an electric load driven longboard and see if a load controlled longboard can be seen as a safe, comfortable and convenient alternative to the more common remote controlled longboard. The thesis will also answer how weight can be measured on a longboard in the most effective way, what the most comfortable riding technique is and what a good motor-battery configuration to be able to travel at 30 km/h and 10 km would be. The longboard measures the weight distribution with load cells located between the deck and the trucks. An Arduino translates the input from the load cells to a certain speed and then sends it to an ODrive which controls a BLDC motor that is powered by two LiPo batteries. The results show that a load controlled longboard can very well be seen as a good alternative if right riding technique is used. The best technique is when the longboard accelerates when the rider tilts and keeps a constant speed when the rider stands straight. The best way to measure the weight is to fasten the trucks with hinges which lets the load cells register weight without anything interfering. Not all tests could be done because of Covid-19 but a measured top speed of 15 km/h with a high gear ratio is a promising result for the future when more suitable gear ratios will be tested to try to reach the goal of 30 km/h. / Det här kandidatexamensarbetet strävar efter att visa en omfattande överblick på alla delar som bygger upp en elektrisk lastdriven longboard och se om en laststyrd longboard kan ses som ett säkert, komfortabelt och behändigt alternativ till den vanligare radiostyrda longboarden via handkontroll. Det här arbetet kommer också svara på hur vikt kan mätas på en longboard på ett så effektivt sätt som möjligt, vad som är den mest bekväma åkstilen och vad är en bra motor-batteri konfiguration för att kunna åka i 30 km/h och nå 10 km skulle vara. Longboarden mäter viktfördelningen med lastceller som är placerade mellan brädan och truckarna. En Arduino omvandlar indatan från lastcellerna till en specifik hastighet som den sedan skickar till en ODrive som kontrollerar en borstlös likströmsmotor som i sin tur är driven av två LiPo batterier. Resultaten visar att en laststyrd longboard kan mycket väl ses som ett bra alternativ om rätt åkstil används. Den bästa stilen är att longboarden accelererar när åkaren lutar sig och håller en konstant hastighet när åkaren står rakt. Det bästa sättet att mäta vikt är att montera truckarna på gångjärn som låter lastcellerna mäta vikt utan att något stör. Alla tester kunde inte utföras på grund av Covid-19 men en uppmätt topphastighet på 15 km/h med en hög utväxling är ett lovande resultat för framtiden när lämpligare utväxlingar kommer testas för att försöka nå målet på 30 km/h.