The present thesis is devoted to the investigation of the magnetocaloric effect (MCE) by direct measurements in pulsed and quasi-static magnetic fields as well as by analyzing specific-heat data taken in static magnetic fields. The emphasis is on the direct measurement of the adiabatic temperature change Tad in pulsed magnetic fields, because the pulsed-field data allow for an analysis of the sample-temperature response to the magnetic field on a time scale of 10 to 100 ms, which is on the order of typical operation frequencies (10 - 100 Hz) of magnetocaloric cooling devices. Besides extending the accessible magneticfield range to beyond 70 T, the short pulse duration provides nearly adiabatic conditions during the measurement. In this work, the magnetocaloric properties of various types of solids are investigated: Gadolinium (Gd) with a second-order transition, Ni50Mn35In15 with multiple magnetic transitions, and La(Fe,Si,Co)13 compounds with first and second-order transitions, depending on the Co concentration. The adiabatic temperature change of a polycrystalline Gd sample has been measured in pulsed magnetic fields up to 70 T and also in quasi-static fields up to 2 T. A very large adiabatic temperature change of Tad 60 K is observed near the Curie temperature (TC = 294 K) for a field change of 70 T. In addition, we find that this maximum temperature change grows with H2=3. We have studied the MCE in the shape-memory Heusler alloy Ni50Mn35In15 by direct measurements in pulsed magnetic fields up to 6 and 20 T. The results obtained for 6 T pulses are compared with data extracted from specific-heat experiments. We find a saturation of the inverse MCE, related to the firstorder martensitic transition, with a maximum adiabatic temperature change of Tad = 7 K at 250 K and a conventional field-dependent MCE near the second-order ferromagnetic transition in the austenitic phase. Our results disclose that in shape-memory alloys the different contributions to the MCE and hysteresis effects around the martensitic transition have to be carefully considered for future cooling applications. Finally, a comparative study of the magnetic and magnetocaloric properties of La(Fe,Si,Co)13 alloys is presented by discussing magnetization, Tad, specificheat, and magnetostriction measurements. The nature of the transition can be changed from first to second order as well as the temperature of the transition can be tuned by varying the Co concentration. The MCE of two samples with nominal compositions of LaFe11:74Co0:13Si1:13 and LaFe11:21Co0:65Si1:11 have been measured in pulsed magnetic fields up to 50 T. We find that LaFe11:74Co0:13Si1:13 with a first-order transition (TC = 198 K) shows half of the net MCE already at low fields (2-10 T). Whereas the MCE of LaFe11:21Co0:65Si1:11 with secondorder transition (TC = 257 K) grows gradually. The MCE in both compounds reaches almost similar values at a field of 50 T. The MCE results obtained in pulsed magnetic fields of 2 T are in good agreement with data from quasistatic field measurements. The pulsed-field magnetization of both compounds has been measured in fields up to 60 T under nearly adiabatic conditions and compared to steady-field isothermal measurements. The differences between the magnetization curves obtained under isothermal and adiabatic conditions give the MCE via the crossing points of the adiabatic curve with the set of isothermal curves. For LaFe11:74Co0:13Si1:13, a S - T diagram has been constructed from specific-heat measurements in static fields, which is used to extract the MCE indirectly. Magnetostriction measurements are carried out for two compounds in both static and pulsed magnetic fields. For LaFe11:74Co0:13Si1:13, the strain shows a sharp increase. However, due to cracks appearing in the sample an irreversible magneto-volume effect of about 1% is observed in pulsed magnetic fields. Whereas for LaFe11:21Co0:65Si1:11 the data show a smooth increase of the sample length up to 60 T, and a 1.3% volume increase is obtained. We also find that magnetizing the latter sample in the paramagnetic state is tightly bound to the volume increase and this, likewise for the former sample, gives the main contribution to the entropy change.

Höchste Magnetfelder haben sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug der Festkörperphysik entwickelt. Sie werden insbesondere verwendet, um die elektronischen Eigenschaften von modernen Materialien zu erforschen. Da Magnetfelder oberhalb von 45 Tesla nicht mehr mit statischen (z.B. supraleitenden) Feldern zu erreichen sind, haben sich weltweit verschiedene Labore auf die Erzeugung gepulster Magnetfelder mit angestrebten Maximalwerten von 100 Tesla spezialisiert. In der vorliegenden Arbeit werden Anwendungsmöglichkeiten der kernmagnetischen Resonanz (NMR) in gepulsten Magnetfeldern aufgezeigt. Es ist gelungen, die starke Zeitabhängigkeit der gepulsten Magnetfelder mittels NMR präzise zu vermessen. Die genaue Kenntnis des Magnetfelds nach dem Puls ermöglicht, die Zeitabhängigkeit aus den Daten zu entfernen, sodass auch eine kohärente Signal-Mittelung möglich ist. Davon ausgehend werden erstmalig Messungen der chemischen Verschiebung, der Knight Shift, der Spin-Gitter-Relaxationsrate 1/T1 und der Spin-Spin-Relaxationsrate 1/T2 diskutiert. Schließlich werden die im Zusammenhang mit gepulsten Magnetfeldern erarbeiteten Gleichungen in vereinfachter Form zur genauen Messung und Analyse des freien Induktions-Zerfalls von 19F Kernspins in Calciumfluorid verwendet. Durch Messung des Zerfalls über sechs Größenordnungen wird eine genaue Analyse bezüglich einer neuartigen Theorie ermöglicht, welche den Zerfall basierend auf der Annahme mikroskopischen Chaos\'' erklärt. Diese Theorie hat das Potenzial, zu einem tieferen Verständnis von Quantenchaos in makroskopischen Vielteilchensystemen zu führen.

Obwohl ultrahohe Magnetfelder jenseits von 100 T mittels spezieller Methoden experimentell nutzbar wurden, sind Magnetisierungsmessungen in diesen Feldern noch immer sehr kompliziert. Magnetfelder im Megagauß-Bereich lassen sich heute allein durch die semidestruktive Single-Turn-Coil (STC)-Methode und durch die vollständig destruktive Flußkompression erzeugen. In beiden Fällen sind die gepulsten Felder auf eine Dauer von wenigen Mikrosekunden und ein nutzbares Feldvolumen von wenigen Kubikzentimetern beschränkt. Dadurch bedingt sind nur solche Methoden für Magnetisierungsmessungen anwendbar, die sich an diese ungünstigen Randbedingungen anpassen lassen. Die Faraday-Rotation kann für optisch transparente Proben sinnvoll sein, jedoch ist die induktive Messung mittels kompensierter Pick-up-Spulen die einzige direkte Methode. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines solchen Meßsystems in einem STC-Feldgenerator. Im Hinblick auf das Meßsystem hat sich die sehr gute geometrische Kompensation der Pick-up-Spulen als wesentlich herausgestellt. Wichtig sind daneben aber auch eine hohe Bandbreite bzw. eine unverzerrte Sprungantwort. Als äußerst effektiv hat sich insbesondere die umfassende elektromagnetische Abschirmung des Meßsystems erwiesen, so daß die vom STC-Generator ausgehenden Störungen weitgehend unterdrückt werden. Besondere, für Magnetisierungsmessungen ungünstige Eigenschaften des STC-Systems, werden dargestellt und diskutiert. Magnetisierungsmessungen bei tiefen Temperaturen an den van Vleck-Paramagneten TmPO4 und TmPO4 ergaben Anomalien bei rund 30 T bzw. 50 T für ein Feld parallel zur tetragonalen Achse. Dieser Effekt resultiert aus einer Überkreuzung der beiden niedrigsten Energieniveaus in starken Magnetfeldern und führt zu einem scharfen Sprung in der Magnetisierung. Temperaturabhängige Messungen belegen den wesentlichen Einfluß des magnetokalorischen Effekts in kurzen gepulsten Feldern. Pulverproben der intermetallischen Verbindungen RMn2Ge2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y) wurden bei Helium-Temperaturen in Feldern bis zu 150 T untersucht. Abhängig vom Selten-Erd-Ion wurden in allen Verbindungen ein oder mehrere feldinduzierte metamagnetische Phasenübergänge beobachtet. Sie können auf eine Änderung der magnetischen Struktur des Mn-Untersystems zurückgeführt werden. Die kritischen Felder für den Übergang zur ferromagnetischen Phase betragen zwischen 90 T und 118 T (YMn2Ge2: 55 T). Detaillierte Rechnungen werden im Rahmen eines erweiterten Molekularfeld-Modells durchgeführt. / Although ultrahigh magnetic fields in excess of 100 T have become available by specialized techniques, magnetization measurements in these fields are still a challenging task. Nowadays, magnetic fields in the megagauss range can be produced only by the semidestructive single-turn coil (STC) technique and by the fully destructive flux compression. In both cases these pulsed fields are limited to microsecond pulse duration and a usable field volume of not more than a few cubic centimeters. As a result, only those methods can be used for magnetization measurements, which can be adapted to these difficult boundary conditions. The Faraday rotation can be suitable for optically transparent samples, but the only direct technique is the induction method based on compensated pick-up coils. The present work deals with the development of such a measurement system and its application to various materials in fields up to 150 T produced by the STC. Regarding the measurement system, geometrically very well compensated pick-up coils turned out to be absolutely necessary as well as a large bandwidth and an appropriate transient response. In particular a comprehensive electromagnetic shielding, which makes use of a wire metal, proved to be very effective in suppressing disturbances produced by the STC system. Besides, some inherent characteristics and limitations of the STC generator with respect to magnetization measurements are revealed and discussed. Magnetization measurements were performed on the van Vleck paramagnets TmPO4 and PrVO4, and anomalies were found at about 30 T and 50 T, respectively, at low temperatures for a field along the tetragonal axis. This effect is due to a crossing of the lowest energy levels in high magnetic fields and results in a sharp jump in magnetization. Temperature dependent measurements provide evidence that the magnetocaloric effect plays an essential role in short pulse fields produced by the STC. Powder samples of the intermetallic compounds RMn2Ge2 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y) have been investigated at liquid helium temperature up to 150 T. Depending on the rare-earth ion one or more field-induced metamagnetic phase transitions have been observed in all compounds, and they are found to be associated with a change in the magnetic structure of the Mn subsystem. The phase transitions to the ferromagnetic phase occur between 90 T and 118 T (YMn2Ge2: 55 T). Detailed calculations are performed using an extended molecular field model.

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

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