Recently simulation groups have reported the lanthanide series elements as the dopants that have the strongest effect on the stabilization of the ferroelectric non-centrosymmetric orthorhombic phase in hafnium oxide. This finding confirms experimental results for lanthanum and gadolinium showing the highest remanent polarization values of all hafnia-based ferroelectric films until now. However, no comprehensive overview that links structural properties to the electrical performance of the films in detail is available for lanthanide-doped hafnia. La:HfO₂ appears to be a material with a broad window of process parameters, and accordingly, by optimization of the La content in the layer, it is possible to improve the performance of the material significantly. Variations of the La concentration leads to changes in the crystallographic structure in the bulk of the films and at the interfaces to the electrode materials, which impacts the spontaneous polarization, internal bias fields, and with this the field cycling behavior of the capacitor structure. Characterization results are compared to other dopants like Si, Al, and Gd to validate the advantages of the material in applications such as semiconductor memory devices.

By numerical methods, two models of anisotropic mixed quantum spin chains, consisting of spins of two different sizes, Sa = 1/2 and Sb = 1 as well as Sb = 3/2, are studied with respect to their critical properties at quantum phase transitions in a selected region of parameter space. The quantum spin chains are made up of basecells of four spins, according to the structure Sa − Sa − Sb − Sb. They are described by the XXZ Hamiltonian, that extends the quantum Heisenberg model by a variable anisotropic exchange interaction. As additional control parameter, an alternating exchange constant between nearest-neighbour spins is introduced. Insight gained by complementary application of exact diagonalization and quantum Monte Carlo simulations, as well as appropriate methods of analysis, is embedded in the broad existing knowledge on homogeneous quantum spin chains. In anisotropic homogeneous quantum spin chains, there exist phase boundaries with continuously varying critical exponents, the Gaussian critical lines, along which, in addition to standard scaling relations, further extended scaling relations hold. Reweighting methods, also applied to improved quantum Monte Carlo estimators, and finite-size scaling analysis of simulation data deliver a wealth of numerical results confirming the existence of a Gaussian critical line also in the mixed spin models considered. Extrapolation of exact data offers, apart from confirmation of simulation data, furthermore, insight into the conformal operator content of the model with Sb = 1. / Mittels numerischer Methoden werden zwei Modelle anisotroper gemischter Quantenspinketten, bestehend aus Spins zweier unterschiedlicher Größen, Sa = 1/2 und Sb = 1 sowie Sb = 3/2, hinsichtlich ihrer kritischen Eigenschaften an Quanten-Phasenübergängen in einem ausgewählten Parameterbereich untersucht. Die Quantenspinketten sind aus Basiszellen zu vier Spins, gemäß der Struktur Sa − Sa − Sb − Sb, aufgebaut. Sie werden durch den XXZ Hamiltonoperator beschrieben, der das isotrope Quanten-Heisenberg Modell um eine variable anistrope Austauschwechselwirkung erweitert. Als zusätzlicher Kontrollparameter wird eine alterniernde Kopplungskonstante zwischen unmittelbar benachbarten Spins eingeführt. Die durch komplementäre Anwendung exakter Diagonalisierung und Quanten-Monte-Carlo Simulationen, sowie entsprechender Analyseverfahren, gewonnenen Erkenntnisse werden in das umfangreiche existierende Wissen über homogene Quantenspinketten eingebettet. Im Speziellen treten in anisotropen homogenen Quantenspinketten Phasengrenzen mit kontinuierlich variierenden kritischen Exponenten auf, die Gaußschen kritischen Linien, auf denen neben den herkömmlichen auch erweiterte Skalenrelationen Gültigkeit besitzen. Umgewichtungsmethoden, speziell auch angewandt auf verbesserte Quanten-Monte-Carlo Schätzer, und Endlichkeitsskalenanalyse von Simulationsdaten liefern eine Fülle von numerischen Ergebnissen, die das Auftreten der Gaußschen kritischen Linie auch in den untersuchten gemischten Quantenspinketten bestätigen. Die Extrapolation exakter Daten bietet, neben der Bestätigung der Simulationsdaten, darüber hinaus Einblick in einen Teil des konformen Operatorinhalts des Modells mit Sb = 1.

The aim of this thesis was to find anomalies of elastic properties induced by topological changes of the Fermi surface. The latter are called "Lifshitz transitions". Lifshitz transitions are an interesting subject to study because a topological change of the Fermi surface results in a van Hove singularity of the density of states at the Fermi energy, which again induces an anomaly in the free energy and therefore yield anomalies of observable physical quantities. In all cases the question arose, if the corresponding van Hove singularities are large enough to cause anomalies in the elastic properties, which are measurable by nowadays experimental techniques and computable within the accuracy reachable in nowadays computer calculations. The calculations have been done with the Full-Potential nonorthogonal Local-Orbital minimum-basis band-structure code FPLO. To shift the van Hove singularities through the Fermi energy we used hydrostatic pressure, which is mimicked in the computations by decreasing the volume of the unit cell. The materials under consideration had been YCo5 and LaCo5 as examples for magnetic compounds and the element Osmium as an example for a non-magnetic material. All these materials exhibit hexagonal symmetry. In the case of YCo5 our calculations yield a first order Lifshitz transition. Here, an extraordinarily large peak in the spin-up part of the DOS, which is caused by a nearly dispersionless band in the hexagonal plane, crosses the Fermi level under a pressure of about 21 GPa. Thus, the spin-up 3d states become partly depopulated, which results in a drop of the total magnetic moment of 35%. Therefore the transition can be regarded as a transition from strong to weak ferromagnetism. Further, the transition results in a volume collapse of 1.4%. Though the volume collapse is isomorphic, it exhibits the following anisotropy: while the lattice constant in the hexagonal plane is almost smoothly contracting with increasing pressure, the lattice constant in c-direction collapses at the transition-pressure. This volume collapse has been verified in experiment. Analogous calculations have been performed for the compound LaCo5, which is isoelectronic to YCo5. Here as well we predict a first order Lifshitz transition, taking place at a pressure of about 23 GPa. The mechanism of the transition is the same than in YCo5. Again we find a volume collapse under pressure together with a decrease of the magnetic moment. The relative volume change amounts to 1.3%. Like in YCo5, the unit cell dimensions in the hexagonal plane are decreasing almost smoothly with pressure while in c-direction the lattice constant collapses at the transition-pressure. For LaCo5 there are no such experiments done so far to the best of our knowledge. For Osmium we found, that LDA reproduces the ground state volume very well. Furthermore, we could detect three Lifshitz transitions taking place at very high pressures of about 72 GPa, 81 GPa, and 122 GPa. At first, a hole ellipsoid appears at the Gamma-point (V=24.6Å^3, P=72 GPa), then a neck is created at the symmetry-line LH (V=24.2Å^3, P=81 GPa), and finally a hole ellipsoid appears at the L-point (V=23.2 Å^3, P=122 GPa). Due to a degeneracy in the band structure, the hole ellipsoid at the L-point appears at the same pressure when the necks, situated at the symmetry-lines LH merge at L. The corresponding van Hove singularities in the DOS are very tiny and thus no anomalies in the elastic properties could be detected. Furthermore, we showed that the kink in c/a at 25 GPa and at 27 GPa found by Occelli et al. [Occelli et al., Phys. Rev. Lett. 93, 095502 (2004)] and Ma et al. [Ma et al., Phys. Rev. B 72, 174103 (2005)], respectively, is not statistically significant and that (c/a)(P) can be fitted equally well by a smooth function as by piece-wise linear functions as proposed in these references. / Das Ziel dieser Arbeit war es, Anomalien in den elastischen Eigenschaften zu finden, die durch topologische Änderungen der Fermifläche - genannt "Lifschitz Übergänge" - hervorgerufen werden. Lifschitz Übergänge sind ein interessantes Forschungsgebiet, denn die topologische Änderung der Fermifläche führt zu einer van Hove Singularität in der Zustandsdichte, die an der Fermienergie liegt und eine Anomalie in der freien Energie hervorruft und deswegen zu Anomalien in beobachtbaren physikalischen Größen führt. In allen Fällen kam die Frage auf, ob die entsprechenden van Hove Singularitäten groß genug sind, um mit heutigen Methoden meßbare und berechenbare Anomalien in den elastischen Eigenschaften zu verursachen. Die Daten wurden mit dem Computerprogramm FPLO (Full-Potential nonorthogonal Local-Orbital minimum-basis band-structure scheme) berechnet. Um die van Hove Singularitäten durch die Fermienergie zu schieben, verkleinerten wir das Volumen der Einheitszelle, um hydrostatischen Druck zu simulieren. Als zu untersuchende Stoffe wurden YCo5 und LaCo5 als Beispiele für magnetische Verbindungen gewählt und Osmium als Beispiel für ein nicht magnetisches Element. Im Falle von YCo5 fanden wir einen Lifschitz Übergang erster Ordnung. Hier springt ein besonders großer Peak im Spin-auf Teil der Zustandsdichte unter einem Druck von ca. 21 GPa über die Fermienergie. Dadurch werden die Spin-auf 3d Zustände teilweise unbesetzt und das magnetische Moment verringert sich um 35%. Deswegen kann man den Übergang als einen Übergang von starkem Ferromagnetismus zu schwachem Ferromagnetismus bezeichnen. Das Volumen verkleinert sich hierbei um 1.4%. Obwohl dieser Volumenkollaps isomorph ist, zeigt er folgende Anisotropie: während die Gitterkonstante in der hexagonalen Ebene mit zunehmendem Druck mehr oder weniger glatt kontrahiert, kollabiert am Übergangsdruck die Gitterkonstante in c-Richtung. Dieser Volumenkollaps wurde vom Experiment verifiziert. Analoge Rechnungen wurden für die Verbindung LaCo5, die isoelektronisch zu YCo5 ist, durchgeführt. Auch hier sagen wir einen Lifschitz Übergang erster Ordnung voraus, der bei einem Druck von ca. 23 GPa stattfinden wird. Der Mechanismus dieses Übergangs ist der selbe wie in YCo5. Wiederum finden wir einen Volumenkollaps unter Druck zusammen mit einer Verringerung des magnetischen Moments. Die relative Volumenänderung beträgt hier 1.3%. Wie in YCo5 verläuft hier die Kontraktion der Gitterkonstante in der hexagonalen Ebene mehr oder weniger glatt, während die Gitterkonstante in c-Richtung am Übergang kollabiert. Für LaCo5 existieren unseres Wissens hierzu noch keine Experimente. Im Falle von Osmium fanden wir drei Lifschitz Übergänge bei sehr hohen Drücken von ca. 72 GPa, 81 GPa, und 122 GPa. Zuerst bildet sich ein Lochellipsoid am Gamma-Punkt (V=24.6Å^3, P=72 GPa), dann bildet sich ein Hals an der Symmetrielinie LH (V=24.2Å^3, P=81 GPa), und zum Schluß erscheint ein Lochellipsoid am L-Punkt (V=23.2 Å^3, P=122 GPa). Auf Grund einer Entartung in der Bandstruktur taucht das Lochellipsoid am L-Punkt an dem Druck auf, an dem sich auch die Hälse auf der Symmetrielinie LH bei L verbinden. Die entsprechenden van Hove Singularitäten in der Zustandsdichte sind jedoch extrem klein und deswegen können keine Anomalien in den elastischen Eigenschaften detektiert werden. Desweiteren zeigten wir, daß der Knick in c/a, den Occelli et al. [Occelli et al., Phys. Rev. Lett. 93, 095502 (2004)] bei 25 GPa und Ma et al. [Ma et al., Phys. Rev. B 72, 174103 (2005)] bei 27 GPa fanden, statistisch nicht relevant ist und daß (c/a)(P) genauso gut von einer glatten Funktion gefittet wird als von stückweise linearen Funktionen.

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The physics of iron pnictides has been the subject of intense research for half a decade since the discovery of superconductivity in doped LaFeAsO in 2008. By now there exists a large number of different materials that are summarized under the term "pnictides'' with significant differences in their crystal structure, electronic properties, and their phase diagrams. This thesis is concerned with the investigation of the various phase transitions that are observed in the underdoped compounds of the pnictide subgroups RFeAsO, where R is a rare-earth element, and AFe_2As_2, where A is an alkaline-earth element. These compounds display two closely bound transitions from a tetragonal to an orthorhombic phase and from a paramagnetic to an antiferromagnetic metal. Both symmetry-broken phases are suppressed by doping or pressure and close to their disappearance superconductivity sets in. The superconducting state is stabilized until some optimal doping or pressure is reached and gets suppressed thereafter. The central goal of this thesis is to improve our understanding of the interplay between these three phases and to describe the various phase transitions. We start from an itinerant picture that explains the magnetism as a result of an excitonic instability and show how the other phases can be included into this picture. This approach is based on the the observation that the compounds we are interested in have a Fermi surface with multiple nested electron and hole pockets and that they have small to intermediate interaction strengths. The thesis starts with a study of the doping dependence of the antiferromagnetic phase transition in four different five-orbital models. We use the random-phase approximation to determine the transition temperature, the dominant ordering vector, and the contribution of the different orbitals to the ordering. This allows us to identify the more realistic models, which give results that are in good agreement with experimental observations. In addition to the frequently made assumption of orbital-independent interaction potentials we study the effect of a reduction of the interaction strengths that involve the d_{xy} orbital. We find that this tunes the system between two different nesting instabilities. A reduction of the interactions that involve the d_{xy} orbital also enhances the tendency towards incommensurate (IC) order. For a weak reduction this tendency is compensated by the presence of the orthorhombic phase. However, for a reduction of 30%, as it is suggested by constrained random-phase-approximation calculations, we always find large doping ranges, where a state with IC order has the highest transition temperature. We continue the investigation of the magnetic phase transition by studying the competition of different possible types of antiferromagnetic order that arises from the presence of two degenerate nesting instabilities with the ordering vectors (pi,0) and (0,pi). We derive a Ginzburg-Landau free energy from a microscopic two-band model and find that the presence of the experimentally observed stripe phase strongly depends on the number and size of the hole pockets in the system and on the doping. We show that within the picture of a purely magnetically driven nematic phase transition, which breaks the C_4 symmetry and induces the orthorhombic distortion, the nematic phase displays exactly the same dependence on the model parameters as the magnetic stripe phase. We propose that in addition to the purely magnetically driven nematic instability there is a ferro-orbital instability in the system that stabilizes the nematic transition and, thus, explains the experimentally observed robustness of the orthorhombic transition. We argue that including a ferro-orbital instability into the picture may also be necessary to reproduce the transition from simultaneous first-order transitions into an orthorhombic antiferromagnetic state to two separate second-order transitions, which is observed as a function of doping. Finally, a study of the superconducting phase transition inside the antiferromagnetic phase that is observed in some pnictide compounds is presented. We present an approach to calculate the fluctuation-mediated pairing interaction in the spin-density-wave phase of a multiband system, which is based on the random-phase approximation. This approach is applied to a minimal two-band model for the pnictides to study the effect of the various symmetry-allowed bare on-site interactions on the gap symmetry and structure. We find a competition between various even- and odd-parity states and over a limited parameter range a p_x-wave state is the dominant instability. The largest part of the parameter space is dominated by even parity states but the gap structure sensitively depends on the bare interactions. We propose that the experimentally observed transition from a nodeless to a nodal gap can be due to changes in the on-site interaction potentials.

The aim of this thesis was to find anomalies of elastic properties induced by topological changes of the Fermi surface. The latter are called "Lifshitz transitions". Lifshitz transitions are an interesting subject to study because a topological change of the Fermi surface results in a van Hove singularity of the density of states at the Fermi energy, which again induces an anomaly in the free energy and therefore yield anomalies of observable physical quantities. In all cases the question arose, if the corresponding van Hove singularities are large enough to cause anomalies in the elastic properties, which are measurable by nowadays experimental techniques and computable within the accuracy reachable in nowadays computer calculations. The calculations have been done with the Full-Potential nonorthogonal Local-Orbital minimum-basis band-structure code FPLO. To shift the van Hove singularities through the Fermi energy we used hydrostatic pressure, which is mimicked in the computations by decreasing the volume of the unit cell. The materials under consideration had been YCo5 and LaCo5 as examples for magnetic compounds and the element Osmium as an example for a non-magnetic material. All these materials exhibit hexagonal symmetry. In the case of YCo5 our calculations yield a first order Lifshitz transition. Here, an extraordinarily large peak in the spin-up part of the DOS, which is caused by a nearly dispersionless band in the hexagonal plane, crosses the Fermi level under a pressure of about 21 GPa. Thus, the spin-up 3d states become partly depopulated, which results in a drop of the total magnetic moment of 35%. Therefore the transition can be regarded as a transition from strong to weak ferromagnetism. Further, the transition results in a volume collapse of 1.4%. Though the volume collapse is isomorphic, it exhibits the following anisotropy: while the lattice constant in the hexagonal plane is almost smoothly contracting with increasing pressure, the lattice constant in c-direction collapses at the transition-pressure. This volume collapse has been verified in experiment. Analogous calculations have been performed for the compound LaCo5, which is isoelectronic to YCo5. Here as well we predict a first order Lifshitz transition, taking place at a pressure of about 23 GPa. The mechanism of the transition is the same than in YCo5. Again we find a volume collapse under pressure together with a decrease of the magnetic moment. The relative volume change amounts to 1.3%. Like in YCo5, the unit cell dimensions in the hexagonal plane are decreasing almost smoothly with pressure while in c-direction the lattice constant collapses at the transition-pressure. For LaCo5 there are no such experiments done so far to the best of our knowledge. For Osmium we found, that LDA reproduces the ground state volume very well. Furthermore, we could detect three Lifshitz transitions taking place at very high pressures of about 72 GPa, 81 GPa, and 122 GPa. At first, a hole ellipsoid appears at the Gamma-point (V=24.6Å^3, P=72 GPa), then a neck is created at the symmetry-line LH (V=24.2Å^3, P=81 GPa), and finally a hole ellipsoid appears at the L-point (V=23.2 Å^3, P=122 GPa). Due to a degeneracy in the band structure, the hole ellipsoid at the L-point appears at the same pressure when the necks, situated at the symmetry-lines LH merge at L. The corresponding van Hove singularities in the DOS are very tiny and thus no anomalies in the elastic properties could be detected. Furthermore, we showed that the kink in c/a at 25 GPa and at 27 GPa found by Occelli et al. [Occelli et al., Phys. Rev. Lett. 93, 095502 (2004)] and Ma et al. [Ma et al., Phys. Rev. B 72, 174103 (2005)], respectively, is not statistically significant and that (c/a)(P) can be fitted equally well by a smooth function as by piece-wise linear functions as proposed in these references. / Das Ziel dieser Arbeit war es, Anomalien in den elastischen Eigenschaften zu finden, die durch topologische Änderungen der Fermifläche - genannt "Lifschitz Übergänge" - hervorgerufen werden. Lifschitz Übergänge sind ein interessantes Forschungsgebiet, denn die topologische Änderung der Fermifläche führt zu einer van Hove Singularität in der Zustandsdichte, die an der Fermienergie liegt und eine Anomalie in der freien Energie hervorruft und deswegen zu Anomalien in beobachtbaren physikalischen Größen führt. In allen Fällen kam die Frage auf, ob die entsprechenden van Hove Singularitäten groß genug sind, um mit heutigen Methoden meßbare und berechenbare Anomalien in den elastischen Eigenschaften zu verursachen. Die Daten wurden mit dem Computerprogramm FPLO (Full-Potential nonorthogonal Local-Orbital minimum-basis band-structure scheme) berechnet. Um die van Hove Singularitäten durch die Fermienergie zu schieben, verkleinerten wir das Volumen der Einheitszelle, um hydrostatischen Druck zu simulieren. Als zu untersuchende Stoffe wurden YCo5 und LaCo5 als Beispiele für magnetische Verbindungen gewählt und Osmium als Beispiel für ein nicht magnetisches Element. Im Falle von YCo5 fanden wir einen Lifschitz Übergang erster Ordnung. Hier springt ein besonders großer Peak im Spin-auf Teil der Zustandsdichte unter einem Druck von ca. 21 GPa über die Fermienergie. Dadurch werden die Spin-auf 3d Zustände teilweise unbesetzt und das magnetische Moment verringert sich um 35%. Deswegen kann man den Übergang als einen Übergang von starkem Ferromagnetismus zu schwachem Ferromagnetismus bezeichnen. Das Volumen verkleinert sich hierbei um 1.4%. Obwohl dieser Volumenkollaps isomorph ist, zeigt er folgende Anisotropie: während die Gitterkonstante in der hexagonalen Ebene mit zunehmendem Druck mehr oder weniger glatt kontrahiert, kollabiert am Übergangsdruck die Gitterkonstante in c-Richtung. Dieser Volumenkollaps wurde vom Experiment verifiziert. Analoge Rechnungen wurden für die Verbindung LaCo5, die isoelektronisch zu YCo5 ist, durchgeführt. Auch hier sagen wir einen Lifschitz Übergang erster Ordnung voraus, der bei einem Druck von ca. 23 GPa stattfinden wird. Der Mechanismus dieses Übergangs ist der selbe wie in YCo5. Wiederum finden wir einen Volumenkollaps unter Druck zusammen mit einer Verringerung des magnetischen Moments. Die relative Volumenänderung beträgt hier 1.3%. Wie in YCo5 verläuft hier die Kontraktion der Gitterkonstante in der hexagonalen Ebene mehr oder weniger glatt, während die Gitterkonstante in c-Richtung am Übergang kollabiert. Für LaCo5 existieren unseres Wissens hierzu noch keine Experimente. Im Falle von Osmium fanden wir drei Lifschitz Übergänge bei sehr hohen Drücken von ca. 72 GPa, 81 GPa, und 122 GPa. Zuerst bildet sich ein Lochellipsoid am Gamma-Punkt (V=24.6Å^3, P=72 GPa), dann bildet sich ein Hals an der Symmetrielinie LH (V=24.2Å^3, P=81 GPa), und zum Schluß erscheint ein Lochellipsoid am L-Punkt (V=23.2 Å^3, P=122 GPa). Auf Grund einer Entartung in der Bandstruktur taucht das Lochellipsoid am L-Punkt an dem Druck auf, an dem sich auch die Hälse auf der Symmetrielinie LH bei L verbinden. Die entsprechenden van Hove Singularitäten in der Zustandsdichte sind jedoch extrem klein und deswegen können keine Anomalien in den elastischen Eigenschaften detektiert werden. Desweiteren zeigten wir, daß der Knick in c/a, den Occelli et al. [Occelli et al., Phys. Rev. Lett. 93, 095502 (2004)] bei 25 GPa und Ma et al. [Ma et al., Phys. Rev. B 72, 174103 (2005)] bei 27 GPa fanden, statistisch nicht relevant ist und daß (c/a)(P) genauso gut von einer glatten Funktion gefittet wird als von stückweise linearen Funktionen.

By numerical methods, two models of anisotropic mixed quantum spin chains, consisting of spins of two different sizes, Sa = 1/2 and Sb = 1 as well as Sb = 3/2, are studied with respect to their critical properties at quantum phase transitions in a selected region of parameter space. The quantum spin chains are made up of basecells of four spins, according to the structure Sa − Sa − Sb − Sb. They are described by the XXZ Hamiltonian, that extends the quantum Heisenberg model by a variable anisotropic exchange interaction. As additional control parameter, an alternating exchange constant between nearest-neighbour spins is introduced. Insight gained by complementary application of exact diagonalization and quantum Monte Carlo simulations, as well as appropriate methods of analysis, is embedded in the broad existing knowledge on homogeneous quantum spin chains. In anisotropic homogeneous quantum spin chains, there exist phase boundaries with continuously varying critical exponents, the Gaussian critical lines, along which, in addition to standard scaling relations, further extended scaling relations hold. Reweighting methods, also applied to improved quantum Monte Carlo estimators, and finite-size scaling analysis of simulation data deliver a wealth of numerical results confirming the existence of a Gaussian critical line also in the mixed spin models considered. Extrapolation of exact data offers, apart from confirmation of simulation data, furthermore, insight into the conformal operator content of the model with Sb = 1. / Mittels numerischer Methoden werden zwei Modelle anisotroper gemischter Quantenspinketten, bestehend aus Spins zweier unterschiedlicher Größen, Sa = 1/2 und Sb = 1 sowie Sb = 3/2, hinsichtlich ihrer kritischen Eigenschaften an Quanten-Phasenübergängen in einem ausgewählten Parameterbereich untersucht. Die Quantenspinketten sind aus Basiszellen zu vier Spins, gemäß der Struktur Sa − Sa − Sb − Sb, aufgebaut. Sie werden durch den XXZ Hamiltonoperator beschrieben, der das isotrope Quanten-Heisenberg Modell um eine variable anistrope Austauschwechselwirkung erweitert. Als zusätzlicher Kontrollparameter wird eine alterniernde Kopplungskonstante zwischen unmittelbar benachbarten Spins eingeführt. Die durch komplementäre Anwendung exakter Diagonalisierung und Quanten-Monte-Carlo Simulationen, sowie entsprechender Analyseverfahren, gewonnenen Erkenntnisse werden in das umfangreiche existierende Wissen über homogene Quantenspinketten eingebettet. Im Speziellen treten in anisotropen homogenen Quantenspinketten Phasengrenzen mit kontinuierlich variierenden kritischen Exponenten auf, die Gaußschen kritischen Linien, auf denen neben den herkömmlichen auch erweiterte Skalenrelationen Gültigkeit besitzen. Umgewichtungsmethoden, speziell auch angewandt auf verbesserte Quanten-Monte-Carlo Schätzer, und Endlichkeitsskalenanalyse von Simulationsdaten liefern eine Fülle von numerischen Ergebnissen, die das Auftreten der Gaußschen kritischen Linie auch in den untersuchten gemischten Quantenspinketten bestätigen. Die Extrapolation exakter Daten bietet, neben der Bestätigung der Simulationsdaten, darüber hinaus Einblick in einen Teil des konformen Operatorinhalts des Modells mit Sb = 1.

Getriebener Transport wechselwirkender Teilchen ist im direkten oder übertragenen Sinne von großer Bedeutung für viele Forschungsfelder. Zur Untersuchung grundlegender Fragestellungen wird auf einfache Modellsysteme zurückgegriffen, die analytische Zugänge ermöglichen und zugleich wesentliche Aspekte der Nichtgleichgewichtsdynamik in realen Applikationen erfassen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein eindimensionales Gittergas mit Nächsten-Nachbar-Wechselwirkungen betrachtet, um den Einfluss von Wechselwirkungen auf den Teilchentransport in getriebenen Diffusionsprozessen zu studieren. Mit einem auf der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie klassischer Fluide basierenden Verfahren werden Evolutionsgleichungen für Dichten, Korrelationsfunktionen und Ströme aufgestellt, deren numerische Lösung eine gute Beschreibung der Transportkinetik liefert. Für Sprungdynamiken, welche bestimmte Relationen erfüllen, werden exakte Strom-Dichte-Beziehungen in geschlossenen Ringsystemen hergeleitet. Hierzu zählen insbesondere die für viele Applikationen relevanten Glauber-Raten. In offenen Kanälen, die zwei Reservoire verbinden, kommt es zu Phasenübergängen der Teilchendichte im Inneren des Kanals. Anhand allgemeiner Überlegungen auf Grundlage der Extremalprinzipien bezüglich des Stroms und der Strom-Dichte-Relation im Bulk kann ein Überblick aller möglichen Phasen, ungeachtet der konkreten System-Reservoir-Kopplung, erhalten werden. Welche Phasen im randinduzierten Phasendiagramm erscheinen, wird durch die System-Reservoir-Kopplung festgelegt. Dies wird anhand zweier unterschiedlicher Randankopplungen demonstriert. Im zweiten Teil der Dissertationsschrift werden stochastische Transportvorgänge in Brownschen Pumpen und in organischen Solarzellen mit Heteroübergang modelliert. Hierbei zeigen Brownsche Pumpen Phasenübergänge in periodengemittelten Dichten und Strömen, falls Ausschlusswechselwirkungen berücksichtigt werden. Ein Minimalmodell organischer Solarzellen erlaubt Elementarprozesse an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche abzubilden, wodurch Einblicke in das Strom- und Effizienzverhalten des photovoltaischen Systems gewonnen werden.

Although the general instability of the iron nitride γ′-Fe4N with respect to other phases at high pressure is well established, the actual type of phase transitions and equilibrium conditions of their occurrence are, as of yet, poorly investigated. In the present study, samples of γ′-Fe4N and mixtures of α Fe and γ′-Fe4N powders have been heat-treated at temperatures between 250 and 1000 °C and pressures between 2 and 8 GPa in a multi-anvil press, in order to investigate phase equilibria involving the γ′ phase. Samples heat-treated at high-pressure conditions, were quenched, subsequently decompressed, and then analysed ex situ. Microstructure analysis is used to derive implications on the phase transformations during the heat treatments. Further, it is confirmed that the Fe–N phases in the target composition range are quenchable. Thus, phase proportions and chemical composition of the phases, determined from ex situ X-ray diffraction data, allowed conclusions about the phase equilibria at high-pressure conditions. Further, evidence for the low-temperature eutectoid decomposition γ′→α+ε′ is presented for the first time. From the observed equilibria, a P–T projection of the univariant equilibria in the Fe-rich portion of the Fe–N system is derived, which features a quadruple point at 5 GPa and 375 °C, above which γ′-Fe4N is thermodynamically unstable. The experimental work is supplemented by ab initio calculations in order to discuss the relative phase stability and energy landscape in the Fe–N system, from the ground state to conditions accessible in the multi-anvil experiments. It is concluded that γ′-Fe4N, which is unstable with respect to other phases at 0 K (at any pressure), has to be entropically stabilised in order to occur as stable phase in the system. In view of the frequently reported metastable retention of the γ′ phase during room temperature compression experiments, energetic and kinetic aspects of the polymorphic transition γ′⇌ε′ are discussed.

Within the last decades low-dimensional frustrated quantum spin systems have attracted great interest in the field of modern research. In these systems a competition of various magnetic interactions takes place, leading to an energetically degenerated magnetic ground state, and thus to the occurrence of exotic, unconventional physical properties at low temperatures. This thesis focuses on the quasi one-dimensional frustrated spin chain system linarite, PbCuSO4(OH)2. In this compound the basic building blocks are CuO4 plaquettes which are connected to each other along one crystallographic direction, analogue to a chain. The frustration in linarite is established due to the competition between the magnetic interactions. The nearest-neighbor magnetic spins are coupled ferromagnetically along the chain via a coupling constant J1, while the next-nearest neighbors are coupled antiferromagnetically via a coupling constant J2. For this configuration it is not possible to satisfy all magnetic couplings simultaneously, hence the system is magnetically frustrated. In this work, comprehensive thermodynamic and nuclear magnetic resonance (NMR) studies demonstrate that linarite is one of the richest and most fascinating compounds in the class of low-dimensional frustrated magnets. By means of susceptibility, magnetization, specific heat, magnetocaloric effect, magnetostriction, and thermal-expansion measurements a rich magnetic phase diagram could be mapped out below a temperature of 2.8 K. The phase diagram contains five different magnetic regions/phases for an external magnetic field pointing along the chain direction. Based on the thermodynamic studies it was possible to calculate the exchange integrals within the frustrated J1-J2 model and extensions of it by using various theoretical approaches. The magnetic microscopic nature of the different long-range magnetic phases present in linarite were investigated by NMR measurements and by collaborative neutron scattering experiments. The ground state (phase I) is identified as an incommensurate elliptical helical structure. Via a theoretical modelling the 1H-NMR spectrum of the ground state could be explained, revealing a rearrangement of the zero-field structure in an external magnetic field of 2.0 T used for the NMR studies. By further increasing the external field the system undergoes a complex spin flop transition in two steps (phase I - phase III - phase IV). In phase III a phase separation takes place where one part of the spins form a circular spiral structure while the remaining fraction form a simple antiferromagnetic structure. In phase IV the remaining circular spiral structure vanishes, so that all spins collectively form the antiferromagnetic collinear phase. The most peculiar physical properties studied in this thesis take place in region V at high fields, showing only tiny features in the thermodynamic properties. The magnetic spins in region V form a sine-wave modulated spin-density structure as identified via NMR and neutron investigations. It is discussed whether region V is related to a multipolar phase or if the spin-density wave structure could possibly coexist with such a phase.