In dieser Arbeit wurden Ergebnisse einer Analyse der elektronischen Struktur in Sr2CuO2Cl2 mittels winkelaufgelöster Photoemission dargelegt. Sie betreffen i) Sr2CuO2Cl2 als Untersuchungsgegenstand für die Grundlagenforschung an Hochtemperatursupraleitern (HTSL), ii) winkelaufgelöste Photoemission als Untersuchungsmethode zur Messung der elektronischen Struktur von HTSL und deren Muttersubstanzen, iii) Eigenschaften der elektronische Anregungen in Sr2CuO2Cl2 in unmittelbarer Nähe des chemischen Potenzials, sowie iv) das durch Korrelationen stark beeinflusste Dotierungsverhalten der Kuprate. 1. Sr2CuO2Cl2 eignet sich Dank seiner exakten Stöchiometrie und der strukturell perfekten Kupfer-Sauerstoff Ebenen hervorragend als Untersuchungssubstanz für die isolierende Phase der HTSL. 2. Mittels winkelaufgelöster Photoemission ist es möglich, die k-Raum- und Energieverteilung (Dispersion) von Anregungen nahe des chemischen Potenzials in Sr2CuO2Cl2 auszumessen. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit der Intensität des Photoemissionssignales in Abhängigkeit von der Photonenenergie beobachtet. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich diese Intensitätsoszillationen mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Bragg-Interferenz der Photoelektronenewelle an der Schichtstruktur von Sr2CuO2Cl2 erklären und weiterhin, dass die gemessenen Dispersionskurven, von einer willkürlichen Normierung der Intensität abgesehen, unabhängig von der verwendeten Photoenenenergie sind. 3. Die Photoemissionsspektren von Sr2CuO2Cl2 zeigen die für Ladungstransfer-Isolatoren charakteristische Aufteilung des spektralen Gewichts (der besetzten Elektronenstruktur) in ein unteres Hubbardband, bindende und nichtbindende Sauerstoffbänder und der ZR-Singlet Struktur. Dabei konnte das untere Hubbardband identifiziert werden durch seine durch Resonanz hervorgerufene Intensitätsverstärkung (und dem daraus resultierenden d8-Charakter dieser Struktur), die Sauerstoffbänder und die ZR-Singlet Struktur durch eine Analyse ihres Symmetrieverhaltens unter Berücksichtigung der Polarisationsabhängigkeit des Photoemissionssignales. Das ZR-Singlet besitzt eine a1g-Symmetrie was sowohl die Konstruktion des ZR-Singlets nach Zhang und Rice als auch die Ergebnisse der Diagonalisierung der isolierten, mit zwei Löchern besetzten Plakette bestätigt. 4. Die Dispersion des ZR-Singlets ist parabolisch entlang Gamma-(Pi,Pi) mit einem absoluten Bindungsenergieminimum bei (0.5Pi,0.5Pi) und parabolisch entlang Gamma-(Pi,0) mit einem lokalen Bindungsenergieminimum bei (0.7Pi,0). Die Bandbreite entlang dieser beiden Richtungen beträgt etwa 300 meV beziehungsweise 200 meV, der Abstand der beiden minimalen Bindungsenergien entlang dieser Richtungen ist 72 meV. Das Spektralgewicht des ZR-Singlets ist keilförmig verteilt mit einem Maximum bei (0.5Pi,0.5Pi) und (0.7Pi,0), also jeweils in unmittelbarer Nähe der minimalen Bindungsenergien dieser Struktur. Es verschwindet bei Gamma und (Pi,Pi), hat jedoch einen endlichen Wert bei (Pi,0). Der Vergleich dieser Resultate favorisiert das erweiterte t-J-Modell zur Beschreibung der Dynamik des ZR-Singlets. Insbesondere i) die parabolische Dispersion des ZR-Singlets entlang Gamma-(Pi,Pi), ii) der geringe aber endliche energetische Abstand der Bindungsenergie-Minima entlang Gamma-(Pi,Pi) und Gamma-(Pi,0) und iii) die keilförmige Verteilung des Spektralen Gewichts entlang Gamma-(Pi,0) sind die experimentellen Indizien dafür. / A detailed ARPES study of the low binding-energy occupied electronic structure of Sr2CuO2Cl2 has been done. It corresponds to an investigation of the first electron-removal states of an undoped CuO2-plane: 1. The photoemission signal of the first electron-removal states at both (0.5Pi,0.5Pi) and (0.7Pi,0) exhibits a marked photon-energy dependence. The intensity profile shows strong oscillations with maxima near 16, 25, 35 and 49 eV, corresponding to final state crystal momenta kperp=0.82, 1.63, 2.40 and 3.12 A-1. 2. Along the high-symmetry directions Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0) the first electron-removal states shows a strong polarization dependence. This can be linked to the strongly polarization-dependent matrix element, which in turn allows the determination of the symmetry of the first electron-removal state itself. For both high-symmetry directions we observe a polarization dependence in keeping with that expected for a Zhang-Rice singlet state in the framework of either a three-band or one-band model Hamiltonian. 3. Our data show that the dispersion of the first electron-removal states along both high symmetry directions (Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0)) is parabolic-like and independent of the excitation energy. This, and the rather large difference in lowest binding energy of the first electron-removal state along these directions, shows the validity of the extended t-J model for describing the disperion relation of a single hole in an antiferromagnetic CuO2 plane. Thus, the inclusion of second (t2) and third (t3) neighbor hopping terms with realistic values of t2=-0.08 and t3=0.15 in units of the next neighbor hopping t=t1 are required. 4. Upon application of a simple fit procedure, we infer the momentum distribution of the spectral weight of the coherent and incoherent part of the first electron-removal state to have its maximum along Gamma-(Pi,Pi) at (0.5Pi,0.5Pi), being symmetrically suppressed away from this point. Along Gamma-(Pi,0) the spectral weights of both parts reach their maximum at (0.7Pi,0) and then drop fast. The ratio between the coherent and incoherent spectral weight is strongly photon-energy dependent, which, at first sight would appear to violate the physics of the spectral function: (i) the necessity for a more sophisticated framework in which to analyse the weight of the coherent and incoherent contributions to the spectral weight (ii) significant (hn-dependent) intensity due to extrinsic processes (iii) intensity in this energy region due to intrinsic electronic states other than the Zhang-Rice singlet.

The work described in this thesis uses oxygen NMR to probe the electronic system of rare earth co-doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, the prototypical high temperature superconducting cuprate (HTSC). Oxygen NMR turns out to be a powerful tool for this purpose. The nucleus is located directly inside the CuO_2 planes. It has a spin of 5/2 and a quadrupole moment and therefore can probe both, interactions with the magnetic hyperfine field as well as interactions through the electric field gradient of the crystal. Furthermore, the spin lattice relaxation time T_1 and the spin spin relaxation time T_2 contain information about the dynamics of these interactions. Such a link between the spin and charge structures in high temperature superconductors has been elusive until today. Instead, there are magnetic probes such as neutron scattering and muSR that provide evidence for a modulation of the spin structure and static magnetic moments, respectively, and charge probes like STM that reveal inhomogeneous doping distributions in the CuO_2 planes. In either case, inhomogeneities in the spin and charge system seem to be typical for HTSCs. Whereas the spin and charge modulations are believed to be dynamic in the superconducting compounds, they become static at low temperatures in Eu doped La_{2-x}Sr_xCuO_4, where superconductivity is suppressed. As could be demonstrated here, evidence for such a spin and charge separation, that often revealed stunning similarities to the spin ladder compounds, is apparent in almost all measured NMR parameters. / In dieser Arbeit werden Sauerstoff NMR Untersuchungen der elektronischen Struktur von Selten-Erd dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4, dem prototypischen Hochtemperatursupraleiter (HTSL), vorgestellt. Sauerstoff NMR ist zu diesem Zweck besonders gut geeignet. Der Kern befindet sich innerhalb der Kupferoxid-Ebenen. Er hat einen Spin von 5/2 und ein Quadrupolmoment. Damit lassen sich Wechselwirkungen mit dem magnetischen Hyperfeinfeld der Cu-Atome sowie Wechselwirkungen mit dem elektrischen Feldgradienten des Kristalls untersuchen. Des Weiteren geben die Spin-Gitter-Relaxationszeit T_1 sowie die Spin-Spin-Relaxationszeit T_2 Aufschluss über die Dynamik dieser beiden Wechselwirkungen. Eine Verbindung zwischen der Spin- und Ladungsordnung gibt es in den HTSL bisher nicht. Statt dessen haben magnetische Messmethoden wie Neutronenstreuung oder muSR Aussagen über die magnetische Ordnung geliefert. Unabhängig davon liefern Messmethoden wie STM nur Informationen über eine Ladungsordnung oder inhomogene Ladungsverteilungen. Inhomogenitäten der Spins und Ladungen scheinen aber typisch für die HTSL zu sein. Man vermutet, dass diese Inhomogenitäten dynamisch in den supraleitenden Verbindungen sind, während sie in Eu dotiertem La_{2-x}Sr_xCuO_4 bei tiefen Temperaturen statisch werden und die Supraleitung unterdrücken. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich diese Ladungs- und Spininhomogenitäten in vielen Parametern der NMR Spektren bemerkbar machen.

The thesis work presented here emphasizes important aspects of crystal growth and the influence of chemical substitution in Fe-As superconductors. High temperature solution growth technique is one of most powerful and widely used technique to grow single crystals of various materials. The biggest advantage of high temperature solution growth technique is the, possibility of growing single crystals from both congruently and incongruently melting materials. Solution growth technique has the potential to control high vapour pressures, given the fact that, in Fe-based superconductors elements with high vapour pressure like As, K, Li and Na have to be handled during the crystal growth procedure. In this scenario high temperature solution growth is the best suitable growth technique to synthesize sizable homogeneous single crystals. Using self-flux high temperature solution growth technique, large centimeter-sized high quality single crystals of BaFe2As2 were grown. This pristine compound BaFe2As2 undergoes structural and magnetic transition at TS/N=137 K. By suppressing this magnetic transition and stabilizing tetragonal phase with chemical substitution, like Co-doping and Na-doping, bulk superconductivity is achieved. Superconducting transitions of as high as Tc = 34 K with Na substitution and Tc = 25 K with Co-doping were obtained. A combined electronic phase diagram has been achieved for both electron doping with Co and hole doping with Na in BaFe2As2. Single crystals of LiFe1−xCoxAs with x = 0, 0.025, 0.05 and 0.075 were grown by a self-flux high temperature solution growth technique. The charge doping in LiFeAs is achieved with the Co-doping in Fe atoms. The superconducting properties investigated by means of temperature dependent magnetization and resistivity revealed that superconductivity is shifted to lower temperatures and with higher amount of charge carriers superconductivity is killed. Single crystals of KFe2As2 were grown with two different fluxes, namely, FeAs-flux and KAs-flux. The superconducting transition is found to be at 3.8K in both the crystals. The influence of doping with selected elements like Na, Rh, Co and Cr has been investigated systematically in KFe2As2 single crystals. With Na-doping at the K-site, yield (K1−xNax)Fe2As2; superconductivity is suppressed to lower temperatures. Substitution of Co and Cr at Fe site, yield K(Fe0.95Co0.05)2As2, K(Fe0.95Cr0.05)2As2 superconductivity is rapidly killed. Single crystals of (Ba0.6Eu0.4)(Fe1−xCox)2As2 with x = 0, 0.05, 0.1, 0.15 and 0.2 were grown with solution growth technique using Fe-As flux and investigated with several physical measurements. The growth conditions are highly optimized to grow flux free large single crystals especially in case of BaFe2As2 family. The high quality of the crystals were revealed by several physical properties, for e.g. single crystals of Ba(Fe1−xCox)2As2 are of the highest quality which was confirmed by the magnetic ac susceptibility which showed a very sharp superconducting transition.

In dieser Arbeit wurden Ergebnisse einer Analyse der elektronischen Struktur in Sr2CuO2Cl2 mittels winkelaufgelöster Photoemission dargelegt. Sie betreffen i) Sr2CuO2Cl2 als Untersuchungsgegenstand für die Grundlagenforschung an Hochtemperatursupraleitern (HTSL), ii) winkelaufgelöste Photoemission als Untersuchungsmethode zur Messung der elektronischen Struktur von HTSL und deren Muttersubstanzen, iii) Eigenschaften der elektronische Anregungen in Sr2CuO2Cl2 in unmittelbarer Nähe des chemischen Potenzials, sowie iv) das durch Korrelationen stark beeinflusste Dotierungsverhalten der Kuprate. 1. Sr2CuO2Cl2 eignet sich Dank seiner exakten Stöchiometrie und der strukturell perfekten Kupfer-Sauerstoff Ebenen hervorragend als Untersuchungssubstanz für die isolierende Phase der HTSL. 2. Mittels winkelaufgelöster Photoemission ist es möglich, die k-Raum- und Energieverteilung (Dispersion) von Anregungen nahe des chemischen Potenzials in Sr2CuO2Cl2 auszumessen. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit der Intensität des Photoemissionssignales in Abhängigkeit von der Photonenenergie beobachtet. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich diese Intensitätsoszillationen mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Bragg-Interferenz der Photoelektronenewelle an der Schichtstruktur von Sr2CuO2Cl2 erklären und weiterhin, dass die gemessenen Dispersionskurven, von einer willkürlichen Normierung der Intensität abgesehen, unabhängig von der verwendeten Photoenenenergie sind. 3. Die Photoemissionsspektren von Sr2CuO2Cl2 zeigen die für Ladungstransfer-Isolatoren charakteristische Aufteilung des spektralen Gewichts (der besetzten Elektronenstruktur) in ein unteres Hubbardband, bindende und nichtbindende Sauerstoffbänder und der ZR-Singlet Struktur. Dabei konnte das untere Hubbardband identifiziert werden durch seine durch Resonanz hervorgerufene Intensitätsverstärkung (und dem daraus resultierenden d8-Charakter dieser Struktur), die Sauerstoffbänder und die ZR-Singlet Struktur durch eine Analyse ihres Symmetrieverhaltens unter Berücksichtigung der Polarisationsabhängigkeit des Photoemissionssignales. Das ZR-Singlet besitzt eine a1g-Symmetrie was sowohl die Konstruktion des ZR-Singlets nach Zhang und Rice als auch die Ergebnisse der Diagonalisierung der isolierten, mit zwei Löchern besetzten Plakette bestätigt. 4. Die Dispersion des ZR-Singlets ist parabolisch entlang Gamma-(Pi,Pi) mit einem absoluten Bindungsenergieminimum bei (0.5Pi,0.5Pi) und parabolisch entlang Gamma-(Pi,0) mit einem lokalen Bindungsenergieminimum bei (0.7Pi,0). Die Bandbreite entlang dieser beiden Richtungen beträgt etwa 300 meV beziehungsweise 200 meV, der Abstand der beiden minimalen Bindungsenergien entlang dieser Richtungen ist 72 meV. Das Spektralgewicht des ZR-Singlets ist keilförmig verteilt mit einem Maximum bei (0.5Pi,0.5Pi) und (0.7Pi,0), also jeweils in unmittelbarer Nähe der minimalen Bindungsenergien dieser Struktur. Es verschwindet bei Gamma und (Pi,Pi), hat jedoch einen endlichen Wert bei (Pi,0). Der Vergleich dieser Resultate favorisiert das erweiterte t-J-Modell zur Beschreibung der Dynamik des ZR-Singlets. Insbesondere i) die parabolische Dispersion des ZR-Singlets entlang Gamma-(Pi,Pi), ii) der geringe aber endliche energetische Abstand der Bindungsenergie-Minima entlang Gamma-(Pi,Pi) und Gamma-(Pi,0) und iii) die keilförmige Verteilung des Spektralen Gewichts entlang Gamma-(Pi,0) sind die experimentellen Indizien dafür. / A detailed ARPES study of the low binding-energy occupied electronic structure of Sr2CuO2Cl2 has been done. It corresponds to an investigation of the first electron-removal states of an undoped CuO2-plane: 1. The photoemission signal of the first electron-removal states at both (0.5Pi,0.5Pi) and (0.7Pi,0) exhibits a marked photon-energy dependence. The intensity profile shows strong oscillations with maxima near 16, 25, 35 and 49 eV, corresponding to final state crystal momenta kperp=0.82, 1.63, 2.40 and 3.12 A-1. 2. Along the high-symmetry directions Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0) the first electron-removal states shows a strong polarization dependence. This can be linked to the strongly polarization-dependent matrix element, which in turn allows the determination of the symmetry of the first electron-removal state itself. For both high-symmetry directions we observe a polarization dependence in keeping with that expected for a Zhang-Rice singlet state in the framework of either a three-band or one-band model Hamiltonian. 3. Our data show that the dispersion of the first electron-removal states along both high symmetry directions (Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0)) is parabolic-like and independent of the excitation energy. This, and the rather large difference in lowest binding energy of the first electron-removal state along these directions, shows the validity of the extended t-J model for describing the disperion relation of a single hole in an antiferromagnetic CuO2 plane. Thus, the inclusion of second (t2) and third (t3) neighbor hopping terms with realistic values of t2=-0.08 and t3=0.15 in units of the next neighbor hopping t=t1 are required. 4. Upon application of a simple fit procedure, we infer the momentum distribution of the spectral weight of the coherent and incoherent part of the first electron-removal state to have its maximum along Gamma-(Pi,Pi) at (0.5Pi,0.5Pi), being symmetrically suppressed away from this point. Along Gamma-(Pi,0) the spectral weights of both parts reach their maximum at (0.7Pi,0) and then drop fast. The ratio between the coherent and incoherent spectral weight is strongly photon-energy dependent, which, at first sight would appear to violate the physics of the spectral function: (i) the necessity for a more sophisticated framework in which to analyse the weight of the coherent and incoherent contributions to the spectral weight (ii) significant (hn-dependent) intensity due to extrinsic processes (iii) intensity in this energy region due to intrinsic electronic states other than the Zhang-Rice singlet.

In der vorliegenden Arbeit wurden vor allem das Auftreten und der Mechanismus von feldinduzierten Übergängen und der damit verbundenen kritischen Felder untersucht. Die verwendete Magnetisierungsmessmethode ist auf die bestehende Impulsfeldanlage des IFW Dresden abgestimmt. Die Magnetisierung in Feldern bis zu 48 T wurde gemessen. Erstmals wurde für Sm2Fe17N3 der Anisotropiekoeffizient aus der Kombination der Messung des Austauschfeldes mittels inelastischer Neutronenstreuung und der Messung der Anisotropiekonstanten K1 am gleichen Material bestimmt. Für den führenden Anisotropiekoeffizienten konnte mit K1 von rund 13 MJ/m³ der Wert A20<r²> = -28 meV bestimmt werden. Der in SmCo2,5Cu2,5 und SmCo2Cu3 beobachtete Hochfeldübergang konnte mit der Mikrostruktur verknüpft werden. Die laminare Mikrostruktur bestehend aus Phasen mit unterschiedlichem Sm-Anteil ist eine notwendige Bedingung für das Auftreten des Übergangs. Das Koerzitivfeld steigt mit dem Kupfergehalt und erreicht bei tiefen Temperaturen sehr hohe Werte. Das Koerzitivfeld und das Übergangsfeld zeigen eine große magnetische Viskosität. In DyFe6Al6 wird das Verschwinden der spontanen Magnetisierung bei tiefen Temperaturen durch starke antiferromagnetische Kopplungen verursacht. Durch ein feldinduziertes magnetisches Moment an einem ungeordneten Kristallgitterplatz könnte der magnetische Übergang bei tiefen Temperaturen erklärt werden. An hexagonalem DyMn6Ge6 wurde erstmals der Temperaturverlauf des Übergangsfeldes zur gekanteten antiferromagnetischen Struktur gemessen. Oberhalb von 100 K ruft das angelegte Feld den Übergang von der helimagnetischen zu einer Fächerstruktur hervor. Bei tiefen Temperaturen tritt ein Spinflop-Übergang auf, der durch die magnetische Anisotropie des Dysprosiumions unterstützt wird. Bei magnetokalorischen Materialien zeigt sich eine Abhängigkeit der gemessenen Magnetisierung von der Feldänderungsrate. Dies lässt sich qualitativ auf die Messbedingungen zurückführen: So herrschen bei Impulsfeldmessungen adiabatische Bedingungen, während bei statischen Messungen isotherme Verhältnisse vorliegen. Neben herkömmlichen magnetischen Verbindungen wurden auch stark korrelierte Elektronensysteme untersucht. Der gefundene Magnetisierungsübergang bei 43 T in CeNi2Ge2 lässt sich auf das Unterdrücken des Kondoeffekts und das Aufbrechen der antiferromagnetischen Struktur zurückführen. Darüber hinaus wurden Magnetisierungsmessungen an Hochtemperatursupraleitern durchgeführt. Die Messungen im Impulsfeld sind ein Beitrag zur Bestimmung des Phasendiagramms von schmelztexturiertem YBa2Cu3O7-d. Das Irreversibilitätsfeld Hirr konnte an massiven Proben bis zu tiefen Temperaturen bestimmt werden. Hirr(T) zeigt einen unerwarteten linearen Anstieg bis zu tiefen Temperaturen. Aufgrund der hohen Feldänderungsraten und großen Unterschiede von Ummagnetisierungsprozessen in magnetischen Materialien gibt es derzeit keine einheitliche Beschreibung der magnetischen Viskosität für Feldänderungsraten im Bereich von 0,001 bis zu 1000 T/s. Durch die Messung im Impulsfeld konnte die Größenordnung der magnetischen Viskosität in nanokristallinem Bariumferrit bestimmt werden. Magnetisierungsmessungen im Impulsfeld stellen sowohl durch das hohe Magnetfeld als auch aufgrund der hohen bzw. variierenden Feldänderungsrate ein sehr nützliches Instrument zur Untersuchung feld- und zeitabhängiger Eigenschaften von Festkörpern dar. / In this work, the occurrence and the mechanism of field induced transitions and the related critical fields were investigated. The way of measuring the magnetisation was designed for the existing pulsed field device of the IFW Dresden. The magnetisation was measured in fields up to 48 T. For the first time, the anisotropy coefficient of Sm2Fe17N3 was obtained in the combined measurement of the exchange field via inelastic neutron scattering and the measurement of the anisotropy constant K1 for the same material. For the leading anisotropy coefficient, a value of A20<r²> = -28 meV was found using K1 of about 13 MJ/m³. It was shown that the observed high field transition in SmCo2.5Cu2.5 and SmCo2Cu3 is connected with the microstructure. The laminar microstructure consisting of phases with different Sm-content is a necessary precondition for the occurrence of the transition. The coercivity increases with the Cu-content and reaches high values at low temperature. The coercivity and the transition field show big magnetic viscosity. In DyFe6Al6, the disappearance of the spontaneous magnetisation at low temperature is caused by a strong antiferromagnetic coupling. The magnetic transition at low temperature could be explained by a field induced magnetic moment on a disordered crystal site. For the hexagonal DyMn6Ge6, the temperature dependence of the transition field towards the canted antiferromagnetic structure was measured for the first time. Above 100 K, the applied field causes the transition from the helimagnetic to the fan structure. At low temperature, a spin flop transition occurs, which is supported by the magnetic anisotropy of the Dy-ion. The magnetisation of magnetocaloric materials exhibits a dependence of the field changing rate. This can be explained qualitatively by the measurement condition: The pulsed field measurement is adiabatic, whereas during static measurements, the condition is isothermal. Besides common magnetic compounds, highly correlated electron systems were also investigated. The magnetic transition at 43 T in CeNi2Ge2 can be explained by the suppression of the Kondo effect and the breaking up of the antiferromagnetic structure. Furthermore, magnetisation of high temperature superconductors was measured. The measurements in the pulsed field are a contribution to the determination of the phase diagram of melt textured YBa2Cu3O7-d. The irreversibility field Hirr was measured for bulk samples down to low temperature. Hirr(T) shows an unexpected linear increase down to low temperature. Because of the high field-changing rates and the big differences of magnetisation processes in magnetic materials, there is no uniform description of the magnetic viscosity for field changing rates in the magnitude from 0,001 up to 1000 T/s. By the measurement in the pulsed field, the magnitude of the magnetic viscosity of nanocrystalline barium ferrite was determined. Magnetisation measurement in pulsed fields is a very useful instrument to investigate field and time dependent properties of solids due to their high magnetic field and their high and varying field changing rate.

In der vorliegenden Arbeit wurden vor allem das Auftreten und der Mechanismus von feldinduzierten Übergängen und der damit verbundenen kritischen Felder untersucht. Die verwendete Magnetisierungsmessmethode ist auf die bestehende Impulsfeldanlage des IFW Dresden abgestimmt. Die Magnetisierung in Feldern bis zu 48 T wurde gemessen. Erstmals wurde für Sm2Fe17N3 der Anisotropiekoeffizient aus der Kombination der Messung des Austauschfeldes mittels inelastischer Neutronenstreuung und der Messung der Anisotropiekonstanten K1 am gleichen Material bestimmt. Für den führenden Anisotropiekoeffizienten konnte mit K1 von rund 13 MJ/m³ der Wert A20<r²> = -28 meV bestimmt werden. Der in SmCo2,5Cu2,5 und SmCo2Cu3 beobachtete Hochfeldübergang konnte mit der Mikrostruktur verknüpft werden. Die laminare Mikrostruktur bestehend aus Phasen mit unterschiedlichem Sm-Anteil ist eine notwendige Bedingung für das Auftreten des Übergangs. Das Koerzitivfeld steigt mit dem Kupfergehalt und erreicht bei tiefen Temperaturen sehr hohe Werte. Das Koerzitivfeld und das Übergangsfeld zeigen eine große magnetische Viskosität. In DyFe6Al6 wird das Verschwinden der spontanen Magnetisierung bei tiefen Temperaturen durch starke antiferromagnetische Kopplungen verursacht. Durch ein feldinduziertes magnetisches Moment an einem ungeordneten Kristallgitterplatz könnte der magnetische Übergang bei tiefen Temperaturen erklärt werden. An hexagonalem DyMn6Ge6 wurde erstmals der Temperaturverlauf des Übergangsfeldes zur gekanteten antiferromagnetischen Struktur gemessen. Oberhalb von 100 K ruft das angelegte Feld den Übergang von der helimagnetischen zu einer Fächerstruktur hervor. Bei tiefen Temperaturen tritt ein Spinflop-Übergang auf, der durch die magnetische Anisotropie des Dysprosiumions unterstützt wird. Bei magnetokalorischen Materialien zeigt sich eine Abhängigkeit der gemessenen Magnetisierung von der Feldänderungsrate. Dies lässt sich qualitativ auf die Messbedingungen zurückführen: So herrschen bei Impulsfeldmessungen adiabatische Bedingungen, während bei statischen Messungen isotherme Verhältnisse vorliegen. Neben herkömmlichen magnetischen Verbindungen wurden auch stark korrelierte Elektronensysteme untersucht. Der gefundene Magnetisierungsübergang bei 43 T in CeNi2Ge2 lässt sich auf das Unterdrücken des Kondoeffekts und das Aufbrechen der antiferromagnetischen Struktur zurückführen. Darüber hinaus wurden Magnetisierungsmessungen an Hochtemperatursupraleitern durchgeführt. Die Messungen im Impulsfeld sind ein Beitrag zur Bestimmung des Phasendiagramms von schmelztexturiertem YBa2Cu3O7-d. Das Irreversibilitätsfeld Hirr konnte an massiven Proben bis zu tiefen Temperaturen bestimmt werden. Hirr(T) zeigt einen unerwarteten linearen Anstieg bis zu tiefen Temperaturen. Aufgrund der hohen Feldänderungsraten und großen Unterschiede von Ummagnetisierungsprozessen in magnetischen Materialien gibt es derzeit keine einheitliche Beschreibung der magnetischen Viskosität für Feldänderungsraten im Bereich von 0,001 bis zu 1000 T/s. Durch die Messung im Impulsfeld konnte die Größenordnung der magnetischen Viskosität in nanokristallinem Bariumferrit bestimmt werden. Magnetisierungsmessungen im Impulsfeld stellen sowohl durch das hohe Magnetfeld als auch aufgrund der hohen bzw. variierenden Feldänderungsrate ein sehr nützliches Instrument zur Untersuchung feld- und zeitabhängiger Eigenschaften von Festkörpern dar. / In this work, the occurrence and the mechanism of field induced transitions and the related critical fields were investigated. The way of measuring the magnetisation was designed for the existing pulsed field device of the IFW Dresden. The magnetisation was measured in fields up to 48 T. For the first time, the anisotropy coefficient of Sm2Fe17N3 was obtained in the combined measurement of the exchange field via inelastic neutron scattering and the measurement of the anisotropy constant K1 for the same material. For the leading anisotropy coefficient, a value of A20<r²> = -28 meV was found using K1 of about 13 MJ/m³. It was shown that the observed high field transition in SmCo2.5Cu2.5 and SmCo2Cu3 is connected with the microstructure. The laminar microstructure consisting of phases with different Sm-content is a necessary precondition for the occurrence of the transition. The coercivity increases with the Cu-content and reaches high values at low temperature. The coercivity and the transition field show big magnetic viscosity. In DyFe6Al6, the disappearance of the spontaneous magnetisation at low temperature is caused by a strong antiferromagnetic coupling. The magnetic transition at low temperature could be explained by a field induced magnetic moment on a disordered crystal site. For the hexagonal DyMn6Ge6, the temperature dependence of the transition field towards the canted antiferromagnetic structure was measured for the first time. Above 100 K, the applied field causes the transition from the helimagnetic to the fan structure. At low temperature, a spin flop transition occurs, which is supported by the magnetic anisotropy of the Dy-ion. The magnetisation of magnetocaloric materials exhibits a dependence of the field changing rate. This can be explained qualitatively by the measurement condition: The pulsed field measurement is adiabatic, whereas during static measurements, the condition is isothermal. Besides common magnetic compounds, highly correlated electron systems were also investigated. The magnetic transition at 43 T in CeNi2Ge2 can be explained by the suppression of the Kondo effect and the breaking up of the antiferromagnetic structure. Furthermore, magnetisation of high temperature superconductors was measured. The measurements in the pulsed field are a contribution to the determination of the phase diagram of melt textured YBa2Cu3O7-d. The irreversibility field Hirr was measured for bulk samples down to low temperature. Hirr(T) shows an unexpected linear increase down to low temperature. Because of the high field-changing rates and the big differences of magnetisation processes in magnetic materials, there is no uniform description of the magnetic viscosity for field changing rates in the magnitude from 0,001 up to 1000 T/s. By the measurement in the pulsed field, the magnitude of the magnetic viscosity of nanocrystalline barium ferrite was determined. Magnetisation measurement in pulsed fields is a very useful instrument to investigate field and time dependent properties of solids due to their high magnetic field and their high and varying field changing rate.

The capability to probe the dispersion of elementary spin, charge, orbital, and lattice excitations has positioned resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) at the forefront of photon science. In this work, we will investigate how RIXS can contribute to a deeper understanding of the orbital properties and of the pairing mechanism in unconventional high-temperature superconductors. In particular, we will show how direct RIXS spectra of magnetic excitations can reveal long-range orbital correlations in transition metal compounds, by discriminating different kind of orbital order in magnetic and antiferromagnetic systems. Moreover, we will show how RIXS spectra of quasiparticle excitations in superconductors can measure the superconducting gap magnitude, and reveal the presence of nodal points and phase differences of the superconducting order parameter on the Fermi surface. This can reveal the properties of the underlying pairing mechanism in unconventional superconductors, in particular cuprates and iron pnictides, discriminating between different superconducting order parameter symmetries, such as s, d (singlet pairing) and p wave (triplet pairing).

In dieser Doktorarbeit wird der Hochtemperatur-Supraleiter Bi-2212 auf seine elektronische Struktur hin untersucht. Für diesen Zweck wurden Röntgen- Absorptionsspektroskopie (XAS) und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) verwendet. Zusätzlich wurden mittels Dichtefunktionaltheorie theoretische Trends in der elektronischen Struktur aufgezeigt. Zu Beginn wurde die Temperaturabhängigkeit der Löcher-Konzentration (nH) von nahezu optimal dotierten und geringfügig unterdotierten Einkristallen mittels XAS untersucht. Die Messungen der Temperaturabhängigkeit von nH mit XAS zeigen ein komplett anderes Verhalten als das, welches aus dem Hall-Effekt hergeleitet wurde. Hinzu kommt, dass es unmöglich ist, die Formel von Gor''kov und Teitel''baum, d.h. mit einem konstanten und einem Aktivierungsterm, an die Daten anzupassen. Als Lösungsansatz kommen Magnonen in Frage. Zusätzlich wurde die Polarisationsabhängigkeit der Löcher- Konzentration mittels XAS gemessen, die zeigt, dass in den Kupferoxidschichten die Löcher offenbar offenbar inhomogen verteilt sind. Solch ein Verhalten wird für die isotrope Struktur der Bi-2212-Kristalle nicht erwartet und kann nur schwer erklärt werden. Möglicherweise sind die, die Symmetrie brechenden magnetischen Eigenschaften wie magnetische Streifen die Antwort. Um zusätzliche experimentelle Informationen zu erhalten, wurde darüber hinaus noch die Temperatur- und Polarisationsabhängigkeit der Bi-2212-Einkristalle mittels ARPES studiert. Insbesondere die ''Peak-Dip-Hump''-Emissionsstruktur an der Fermi-Energie wurde gemesssen, die sich am M-Punkt der Brillouin-Zone befindet. Die Ergebnisse zeigen, dass der scharfe Peak nahe der Fermi-Kante eine deutliche Polarisations- und Temperaturabhängigkeit aufweist, welche bei der Pseudolücken-Temperatur T* und nicht bei der Sprungtemperatur TC verschwindet. Die Polarisationsabhängigkeit an den vier M-Punkten der Brillouin-Zone hat gezeigt, dass eine Symmetrieachse im 45°-Winkel zur Cu-O-Cu-Richtung existiert. Dies könnte ebenfalls mit magnetischer Streifenbildung erklärt werden. Des Weiteren wurde das beobachtete Versagen der Dipol-Näherung zur Beschreibung der Spektren bei einer Polarisation senkrecht zur Spiegelebene erörtert. Andererseits ist die Berechnung von Materieleigenschaften mittels der Dichtefunktionaltheorie ein sehr aktiver Bereich der Festkörperphysik geworden. Nachdem meine DFT-Rechnungen auf der Basis des MBJ-Potentials sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen des ternären Halbleiters ZrSexS2-x und die LiZrSexS2-x –Verbindung erzielt haben, habe ich diese auch zur Unterstützung der experimentellen Supraleiterdaten angewendet. Die elektronischen Eigenschaften von CaCuO2 und des Bi-2212-Kuprats wurden mittels DFT auf der Basis von GGA und GGA+U berechnet, wobei der Hubbard-U-Term mit einer „abinitio“-Methode berechnet wurde. Die Ergebnisse ergaben, dass nur Rechnungen auf der Basis von MBJ+U einen antiferromagnetischen Grundzustand für die CaCuO2- Verbindung lieferten, während alle Funktionale versagten, den antiferromagnetischen Grundzustand für das Bi-2212-Kuprat zu finden. / In this PhD work the electronic structure of high-TC Bi-2212 cuprates is investigated. For this purpose x-ray absorption spectroscopy (XAS) and angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) are used. Additionally, density functional theory is applied for making theoretical trends of the electronic structure evident. At first, the temperature dependence of the hole density (nH) by XAS on nearly optimum and slightly underdoped single crystals is studied. The measurements of the temperature dependence of nH by XAS show completely different behavior as that derived from Hall effect. Moreover, fitting our data by the Gor’kov and Teitel’baum formula, i.e. assuming a constant term and an activation term, was impossible. For solving the problem a contribution of magnons is suggested. Additionally, the polarization dependence of the hole density has been measured by XAS showing that an inhomogeneity of holes in the copper oxide planes may exist. Such a behavior is not expected for the isotropic structure of the Bi(Pb)-2212 crystals and was only hardly to be explained. Possibly, magnetic symmetry breaking properties like e.g. magnetic stripes might give an answer. In order to derive additional experimental information, the temperature and polarization dependence of the electronic structure of the CuO2 planes of Bi(Pb)-2212 single crystals has been studied by ARPES. In particular, the so-called peak-dip-hump emission structure close to the Fermi energy has been measured, which is located at the M point of the Brillouin zone. The results show that the sharp emission structure close to the Fermi edge reveals a distinct polarization dependence and it vanishes at the pseudogap temperature T* and not at the critical temperature TC. The polarization dependence at the four M points of the Brillouin zone has revealed that there exists a symmetry line along to 45?? from the Cu-O-Cu direction. This could also be due to stripe formation. Additionally, the observed failure of the dipole approximation to describe the spectra at normal polarization with respect to the mirror plane is discussed. On the other hand, the calculation of material properties by density functional theory has become a very active area of research in condensed matter physics. Therefore, after my calculations based on DFT by the MBJ potential have revealed good agreement with experimental data for the ternary semiconductors ZrSexS2-x and the LiZrSexS2-x compound I applied it for a support of the experimental superconductor data. The electronic properties of CaCuO2 and the Bi-2212 cuprate have been calculated by DFT based on GGA and GGA+U where the Hubbard U term has been calculated by an ab initio method. The results reveal that only calculations based on MBJ+U lead to an anti-ferromagnetic ground state for the CaCuO2 compound while all functionals fail to find an antiferromagnetic ground state for Bi-2212.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau, hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers. Unter einem Kurzschlussstrombegrenzer versteht man einen veränderlichen elektrischen Widerstand, welcher, gegebenenfalls in Serie mit konventionellen, mechanischen Stromunterbrechern, direkt in den zu schützenden Stromkreis eingebaut ist. Als veränderlicher elektrischer Widerstand kann z.B. ein supraleitendes Element verwendet werden. Im normalen Betriebsfall setzt dieser dem fließenden Strom praktisch keinen Widerstand entgegen. Die Dimensionierung wird so gewählt, dass im Falle eines Überstroms ein rascher Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgt. Durch den nun vorhandenen Widerstand wird der Stromfluss sehr effektiv begrenzt, bis beispielsweise nachgeschaltete mechanische Schutzeinrichtungen ansprechen. Sobald dies erfolgt ist, kann der Supraleiter regenerieren und in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Verwendung von HTSL-Material als Supraleiter erscheint hier höchst vorteilhaft, da damit ein Arbeiten auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau erlaubt wird. Ein entscheidender Punkt für die erfolgreiche Einführung der HTSL-FCL ist die Bereitstellung einer geeigneten Kälteversorgung. Dies kann entweder durch regelmäßiges Nachfühlen mit flüssigem Stickstoff oder durch den Einsatz einer Kältemaschine zur Stickstoffrekondensation realisiert werden. Beim Einsatz einer Kältemaschine hat man einen von der Stickstoffnachlieferung unabhängigen Betrieb mit geschlossenem Kühlsystem. Die Energiedissipation in dem HTSL-Element selbst ist unter Normalbedingungen vernachlässigbar klein. Für die Auslegung des Kühlsystems ist von Bedeutung, dass der größte Teil der Wärmelast durch die metallischen Stromzuführungen verursacht wird. Die Auslegung des Kühlsystems muss sich daher an der thermodynamischen Analyse der Stromzuführungen orientieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Analyse von Kühlmethoden für solche Stromzuführungen hinsichtlich ihrer Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Ein neues Kühlsystem auf der Basis einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade wird vorgeschlagen als Alternative zu den derzeit in Frage kommenden Kühltechniken. Es wurde folgende Vorgehensweise gewählt: 1. Verschiedene Kühlmethoden zur Kühlung von SZF werden aufgeführt und thermodynamisch bewertet. 2. Kühlsysteme, basierend auf einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade, werden vorgeschlagen und deren Charakteristika mittels numerischer Simulation bestimmt. 3. Ein auf der Basis einer Gemisch-Kältemaschine gebauter Stickstoffverflüssiger wird in Betrieb genommen und getestet. 4. Die Funktion und die Effektivität der Gemisch-Stickstoff-Kaskade zur Kühlung der Stromzuführungen werden bewertet. 5. Zugehörige Kühlsysteme auf der Basis verschiedener Kühltechniken werden analysiert 6. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Kühlsysteme einander gegenübergestellt Insgesamt kann als Ergebnis festgehalten werden, dass der Einsatz der vorgestellten Gemisch-Stickstoff-Kaskadenanlagen zur Kälteversorgung im vorgestellten Anwendungsfall eine durchaus wettbewerbsfähige, voraussichtlich sogar überlegene Alternative zu den sonst verfügbaren Methoden darstellt.

The physics of cuprates is strongly influenced by the dimension of the cooper-oxygen network in the considered crystals. Due to the rich manifoldness of different network geometries realized by nature, cuprates are ideal model systems for experimental and theoretical studies of low-dimensional, strongly correlated systems. The dimensionality of the considered model compounds varies between zero and three with a focus on one- and two-dimensional compounds. Starting from LDA band structure calculations, the relevant orbitals for the low-energy physics have been characterized together with a discussion of the chemical bonding in the investigated compounds. By means of a systematic approach for various compounds, the influence of particular structural components on the electronic structure could be concluded. For the undoped cuprate compounds, paramagnetic LDA band structure calculations yield a metallic groundstate instead of the experimentally observed insulating behavoir. The strong correlations were taken into account using Hubbard- or Heisenberg-like models for the investigation of the magnetic couplings in cuprates. The necessary parameters were obtained from tight-binding parameterizations of LDA band structures. Finallly, several ARPES as well as XAS measurements were interpreted. The present work shows, that the combination of experiment, LDA, and model calculations is a powerful tool for the investigation of the electronic structure of strongly correlated systems.