In the present work, the magnetotransport measurement technique was developed and various materials, exhibiting resistances from 1 mOhm up to several tens of kOhm, were investigated in pulsed magnetic fields of up to 60 T. Phase diagrams of irreversibility and upper critical fields for pure and Zn-doped YBa2Cu3O_7-x high-temperature superconductors were measured. A high-field study of the electronic properties of the two semimetals LaBiPt and CeBiPt were presented. Magnetoresistance of La0.7Sr0.3MnO3 and La0.7Ca0.3MnO3 thin films were investigated.

In dieser Arbeit werden Messungen der elektrischen und thermischen Transportkoeffizienten an einem antiferromagnetisch ordnenden Iridat und FeAs-basierten Hochtemperatursupraleitern vorgestellt und analysiert. Iridate sind Materialien mit starker Spin-Bahn-Kopplung. In dem zweidimensionalen Vertreter Sr_2IrO_4 führt diese Kopplung zu isolierendem Mott-Verhalten mit gleichzeitiger antiferromagnetischer Ordnung der gekoppelten Spin-Bahn-Momente. Somit stellt Sr2IrO4 ein Modellsystem für die Untersuchung magnetischer Anregungen dieser Momente in Iridaten dar. Die Analyse der Wärmeleitfähigkeit von Sr_2IrO_4 liefert erstmals klare Hinweise auf magnetische Wärmeleitung in den Iridaten. Die extrahierte magnetische freie Weglänge gibt Aufschluss über die Streuprozesse der zum Wärmetransport beitragenden Magnonen und lässt Schlüsse über die Anregungen des gekoppelten Spin-Bahnsystems zu. Die FeAs-Hochtemperatursupraleiter haben aufgrund ihrer geschichteten Kristallstruktur einen hauptsächlich zweidimensionalen Ladungstransport. Die Phasendiagramme dieser Materialien setzen sich aus Ordnungsphänomenen zusammen, die Magnetismus, Supraleitung und eine Strukturverzerrung umfassen. Das Hauptaugenmerk richtet sich auf die Reaktion der Transportkoeffizienten mit den sich ausbildenden Phasen in Vertretern der 111- und 122-Familien unter chemischer Dotierung innerhalb und außerhalb der Schichtstruktur. Mithilfe von Widerstand und magnetischer Suszeptibilität lassen sich Phasendiagramme der verschiedenen Supraleiterfamilien konstruieren. In ausgewählten Fällen werden der Hall-Koeffizient und elektrothermische Transporteffekte genutzt, um das Phasendiagramm näher zu erforschen. Der Großteil der Untersuchungen zeigt omnipräsente elektrische Ordnungsphänomene, die als nematische Phase bezeichnet werden. Die Messdaten zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit und der Nernst-Koeffizient dominant von Fluktuationen, die der nematischen Phase vorausgehen, beeinflusst werden. Aus den Ergebnissen der Nernst-Daten an dotiertem BaFe_2As_2 werden Schlüsse über die der nematischen Phase zugrunde liegenden Mechanismen des korrelierten Elektronensystems gezogen.

In dieser Arbeit werden Resultate elektronischer Transportmessungen von supraleitenden Eisenpniktiden und ferromagnetischen Heusler-Verbindungen diskutiert. Die Eisenpniktide sind eine neuartige Klassen von Hochtemperatursupraleitern, deren Eigenschaften sich aus einem Zusammenspiel von Supraleitung und Magnetismus ergeben. Während die sogenannten 122-Pniktide Antiferromagnetismus aufweisen und unter Dotierung in einen supraleitenden Zustand übergehen, konnte in dotiertem LiFeAs Ferromagnetismus beobachtet werden. Undotiert hingegen zeigt dieses Material interessante supraleitende Eigenschaften. Die Heusler-Verbindungen sind u.a. durch ihren Ferromagnetismus bekannt. Das hier untersuchte Co2FeSi ist einer der stärksten Ferromagnete. Der in diesem Material vorhergesagte vollständig spinpolarisierte elektronische Transport, d.h. alle Leitungselektronen besitzen den gleichen Spin, konnte nachgewiesen werden. Die hier genannten Eigenschaften können exzellent mit der Methode der elektronischen Transportmessungen untersucht werden. Deren Ergebnisse aus Messungen an Einkristallen werden in dieser Arbeit diskutiert. / In this work, results of electronic transport measurements are discussed for superconducting iron pnictides as well as for ferromagnetic Heusler compounds. The iron pnictides are a recently discovered class of high temperature superconductors where magnetism might play a crucial role. While the 122-pnictides show antiferromagnetism and migrate to the superconducting state upon doping, ferromagnetism has been observed in doped LiFeAs. On the other hand, in the undoped state this material shows interesting superconducting properties. Among other propierties, Heusler compounds are well known due to their ferromagnetism. Co2FeSi, which was investigated in this work, is one of the strongest ferromagnets. Beside this, one predicts this compound to be a half-metallic ferromagnet with completely spin polarized electronic transport where all conducting electrons have the same spin. The here addressed properties can well be investigated with the method of electronic transport measurements, whose results on single crystals are discussed in this work.

Die Legierungsserie CeFeAs1−xPxO bietet die Möglichkeit, eine außergewöhnliche Vielfalt unterschiedlicher Grundzustände mit starken Korrelationen der 3d- und der 4f-Elektronen zu untersuchen. CeFePO ist an der Grenze zwischen einem paramagnetischen und einem ferromagnetischen Ce-Zustand und zeigt starke 4f-Korrelationen, die zu Schwere-Fermionen-Verhalten führen, während Fe unmagnetisch ist. Im Gegensatz dazu sind die Eigenschaften von CeFeAsO durch die 3d-Korrelationen des Fe dominiert, die zu antiferromagnetischer Ordnung unterhalb von T_N(Fe) = 145K führen, während sich Ce in einem stabilen dreiwertigen Zustand befindet und unterhalb von T_N(Ce) = 3.7K ebenfalls antiferromagnetisch ordnet. Man erwartet deshalb mindestens zwei kritische Punkte, an denen die magnetische Ordnung unterdrückt wird. Hier sollte insbesondere geklärt werden, ob bei diesen kritischen Konzentrationen Quantenphasenübergänge auftreten, bei denen die Ordnungstemperatur zu T = 0K verschoben ist und in denen die Ursache von Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten und unkonventioneller Supraleitung gesehen wird. Grundlage für die Untersuchungen war zunächst die Züchtung qualitativ hochwertiger Einkristalle hinreichender Größe, was im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gelungen ist. Hierzu wurde eine Sn-Flux Methode optimiert, mit der plättchenförmige Einkristalle mit Abmessungen von typischerweise 1mm x 1mm x 0.1mm und Massen bis 0.6mg erhalten werden konnten. Zur Bestimmung struktureller Parameter kamen Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie und chemische Analyse zum Einsatz. Physikalische Eigenschaften wurden vor allem durch Messungen der Spezifischen Wärmekapazität, der Magnetisierung und des elektrischen Widerstandes im Temperaturbereich T = 0.35 − 300K untersucht. Die antiferromagnetische Ordnung von Fe in CeFeAsO ist mit einer orthorhombischen Verzerrung verbunden, die bei einer etwas höheren Temperatur von T_0 = 151K stattfindet. Diese Phasenübergänge sind von besonderem Interesse, da ihre Unterdrückung zur Ausbildung von Hochtemperatur-Supraleitung in den Eisenpniktiden führt, ihr Wechselspiel aber nicht vollständig verstanden ist. Sie unterteilen die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ρ(T) von CeFeAsO in zwei Bereiche. In der paramagnetischen tetragonalen Phase nimmt ρ(T) beim Abkühlen von Raumtemperatur aus bislang ungeklärter Ursache zunächst leicht zu. Erst mit Einsetzen der orthorhombischen Verzerrung bei T_0 kehrt sich die Temperaturabhängigkeit um und ρ(T) nimmt mit sinkender Temperatur ab, wobei die Abnahme bei T_N(Fe) nochmals stärker wird und bis zu tiefsten Temperaturen metallisches Verhalten beobachtet wird. Dass sich CeFeAsO somit nicht unmittelbar an der Grenze zu einem Mott-Isolator befindet, wie es in Anlehnung an die Kuprat-Supraleiter zunächst vermutet wurde, und Restwiderstandsverhältnisse von RRR > 10 überhaupt möglich sind, konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden. Durch sorgfältige Untersuchung des Temperaturunter- schiedes zwischen T_N(Fe) und T_0 und dem Vergleich mit dotierten und undotierten AFe2As2-Verbindungen konnte ein vereinheitlichtes Bild der Ausgangsverbindungen aller Fe-basierten Supraleiter geschaffen werden. In diesem tritt im Temperaturbereich T_N(Fe) < T < T_0 eine elektronische nematische Phase hervor, deren Existenzbereich durch die magnetische Kopplung entlang der kristallographischen c-Achse und deren Defektabhängigkeit bestimmt ist. Wie alle Substitutionen in RFeAsO-Verbindungen führt die Ersetzung von As durch P auch in CeFeAs1−xPxO zu einer Verringerung von T_N(Fe). Ein quantenkritischer Punkt mit T_N(Fe) --> 0K ist jedoch unwahrscheinlich, da ab einer kritischen Konzentration von x = 0.30 die Signatur der Eisen-Ordnung in ρ(T) zwar merklich schwächer wird, T_N(Fe) ≈ 40K bei weiterer Erhöhung von x aber nicht mehr zu tieferen Temperaturen schiebt. In Proben mit der kritischen Konzentration von x = 0.30 - und nur in diesem Konzentrationsbereich - konnte reproduzierbar ein verschwindender elektrischer Widerstand und damit ein Hinweis auf Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von T_SL= 4K gefunden werden. Im Gegensatz zur ’Dom-förmigen’ Abhängigkeit der Sprungtemperatur von der Konzentration eines Fremdatoms in den Phasendiagrammen anderer Fe-basierter Supraleiter nimmt jedoch T_SL in CeFeAs1−xPxO bei weiterer Erhöhung von x nicht zu. Stattdessen wird bei x > 0.30 ein ferromagnetisch geordneter Grundzustand (des Ce) stabilisiert, der mit Supraleitung konkurriert. Die antiferromagnetische Ordnung von Cer in undotiertem CeFeAsO weist typische Merkmale magnetischer Ordnung lokaler Momente auf und impliziert eine Dominanz der RKKY-Wechselwirkung gegenüber einem schwachen Kondo-Effekt. Die Ersetzung von As durch P wirkt als chemischer Druck und stabilisiert somit den unmagnetischen Valenzzustand Ce4+. Trotzdem ist die Ce-Ordnung bei kleinen P-Konzentrationen - im Gegensatz zur Fe- Ordnung - nahezu unverändert vom Verhalten in undotiertem CeFeAsO. Bei der kritischen Konzentration von x = 0.30 tritt überraschend ein plötzlicher Übergang von antiferromagnetischer zu ferromagnetischer Ordnung mit einer Curie-Temperatur von T_C(Ce) = 4K auf, der offensichtlich mit der Unterdrückung der Fe-Ordnung korreliert ist und nicht nur aus einem reinen Volumeneffekt resultiert. Als mögliche Ursache wird eine Umstrukturierung der Fermi-Fläche bei Unterdrückung der Fe-Ordnung betrachtet, die zu einem Vorzeichenwechsel der Austauschkopplung J_ij bei RKKY-Wechselwirkung führt. Bei hohen Phosphor-Konzentrationen sinkt T_C(Ce) und geht bei x = 0.90 von ferromagnetischer zur antiferromagnetischer Ordnung über, wie es bei Annäherung an einen quantenkritischen Punkt bereits in einer Vielzahl ferromagnetischer Systeme beobachtet wurde. In stöchiometrischem CeFePO wurde magnetisch kurzreichweitige Ordnung und Spin-Glas-Verhalten mit einer charakteristischen Temperatur von T_SG= 0.75K gefunden. Der Unterschied zur früher gemachten Beobachtung eines paramagnetischen Grundzustandes resultiert einzig aus Variationen bei der Synthese und ist in strukturellen Parametern nicht nachweisbar - eine für Schwere- Fermionen-Systeme typische Sensitivität! Der zweite kritische Punkt, an dem die Ce-Ordnung verschwinden sollte, liegt also nicht wie zu Beginn erwartet bei hohen P-Konzentrationen, sondern in stöchiometrischem CeFePO. Eine Wärmebehandlung von CeFePO bei T ∼ 800◦C kann zur gezielten Manipulation des Grundzustandes genutzt werden und hat zur Ausbildung von logarithmischer Divergenz der spezifischen Wärmekapazität C/T und damit einem ersten direkten Hinweis auf Quantenkritikalität geführt.

Nb3Sn Rutherford cables are used in CERN’s superconducting 11 T dipole and MQXF quadrupole magnets, which are proposed for the instantaneous luminosity (rate of particle collisions) upgrade of the Large Hadron Collider (LHC) by a factor of five to a High Luminosity-Large Hadron Collider (HL-LHC). Nb3Sn-based conductors are the key technology for the envisioned Future Circular Collider (FCC) with an operating magnetic dipole field of 16 T. The baseline superconductor of the LHC dipole magnets is Nb–Ti, whereas an operation above 10 T is not possible due to the current carrying performance limitations of this superconductor at higher magnetic fields. Therefore, a superconducting material such as Nb3Sn has to be used with proven performance capabilities of 10 T and above. The conductor choice towards Nb3Sn-based cables affects the magnet manufacturing process, as it requires a heat treatment up to 650°C, an epoxy resin impregnation and introduces mechanical diffculties as the superconducting filaments are brittle and strain sensitive. A mechanical over loading of the filaments lead to irreversible conductor damage. The designs of 11 and 16 T magnets are supposed to push the conductor towards its mechanical and electrical performance limitations. The magnetic field induced forces on the current carrying conductor are balanced by mechanical pre-loading of the magnet. Thereby the highest controlled mechanical pre-load for the 11 T dipole magnet is set at ambient temperature. The mechanical stress limits of Nb3Sn-based cables have been investigated at cryogenic temperatures. The material strength and stiffness of the cable insulation system, formed by glass-fibre-reinforced resin, is increased at low temperatures. The ultimate stress values, determined at cryogenic temperature, are therefore not conservative. The ultimate stress limitation of the insulated conductor is assumed to be lower at ambient temperature. The cable limitations at ambient temperature need to be known for the ongoing magnet manufacturing process and also for future design approaches. Furthermore, the compressive stress–strain behaviour of a coil conductor block at ambient temperature is the key material characteristic, in order to recalculate the stress level in the coil during the assembly process. Existing approaches using an indirect strain measurement method provide uncertainties in the low-strain regime, which is the essential strain range for a material compound consisting of major fractions composed of heat-annealed copper and epoxy resin. Compressive stress–strain data of an impregnated conductor block are required, based on a direct strain measurement system, as available data have been collected on samples based on a different strand type and insulation system. The elaborated direct strain measurements can be correlated to strain gauge data, measured directly on a coil. The stress distribution in a Nb3Sn Rutherford cable need to be understood and validated to understand strain-induced degradation effects in the insulated conductor. This knowledge can also help to optimise the stress distribution envisioned magnet designs. The stress–strain state in the copper and Nb3Sn phase of a loaded conductor block has to be determined experimentally. This dissertation describes a test protocol and first elaborated results on the investigated stress limitations of a Nb3Sn Rutherford cable under homogeneous load applied in transversal direction. The compressive stress–strain behaviour of impregnated Nb3Sn Rutherford cable stacks was investigated experimentally. This includes a detailed report on the sample manufacturing process, measurements performed and validation of results through a comparison with the elaborated data of cable stacks extracted from a coil. The presented results from neutron diffraction measurements of loaded cable stacks allow the determination of the stress–strain level of the copper and Nb3Sn phase in the impregnated conductor. The relevant measured results have been recalculated with numerical calculations based on the Finite Element Method (FEM).:1. Introduction 1 1.1. The LHC and the HL-LHC project 1.2. The FCC study 1.3. Superconducting materials for accelerator magnets 1.4. Multi-filamentary wires and Rutherford cables 1.5. Coil manufacturing process 1.6. Magnet coil assembly 1.7. Objectives of this thesis 2. Theory: fundamental principles 17 2.1. Analytical calculation: sector coil dipole 2.2. Mechanical behaviour of composite materials 2.3. Failure criteria and strength hypotheses for materials 2.4. Compressive tests 2.5. Fundamental principles of Neutron scattering 2.5.1. Test apparatus and measurement method 2.5.2. Lattice plane and Miller indices 2.5.3. Bragg diffraction and interference 2.5.4. Diffraction-based strain calculation 2.5.5. Diffraction-based stress calculation 2.6. Fundamental principles of FEM 3. Homogeneous transversal compression of Nb3Sn Rutherford cables 3.1. Superconducting cable test stations 3.2. The FRESCA test facility and specific sample holder 3.3. The sample description 3.4. Experimental procedure 3.5. Review of existing contact pressure measurement system 3.6. Compressive test station 3.7. Validation of the pressure-sensitive films 3.8. Press punch 3.9. Improvement of the contact stress distribution 3.9.1. First test: cable pressed between the bare tools 3.9.2. Second test: tool shimmed with a soft Sn96Ag4 3.9.3. Third test: tool shimmed with a soft Sn60Pb40 3.9.4. Fourth test: tool shimmed with a soft indium 3.9.5. Fifth test: tool shimmed with a polyimide film 3.10. Test results 3.11. Conclusion 4. Material characterisation by a compression test 4.1. Test set-ups for compressive tests and validation 4.2. Sample preparation 4.3. Compressive stress–strain measurement 4.4. Ten-stack sample stiffness estimation-based composite theories 4.5. Dye penetration test on loaded and unloaded samples 4.6. Conclusion 5. Neutron diffraction measurements 80 5.1. Test set-up for neutron diffraction measurement 5.2. The samples 5.3. Experiment: lattice stress–strain measurements 5.4. Conclusion 6. Simulation and modelling of Nb3Sn cables 6.1. The models 6.2. The 2D simulation results 6.3. The 3D simulation results 6.4. Conclusion 7. Comprehensive summary 7.1. Summary 7.2. Critical review 7.3. Next steps Appendix 113 A. Calculation of the magnetic field components in a sector coil without iron B. Approaches for the determination of diffraction elastic constants C. Manufacturing drawings D. FEM calculation results of the 2D model E. FEM calculation results of the 3D model F. Source Codes Bibliography

In dieser Arbeit werden Resultate elektronischer Transportmessungen von supraleitenden Eisenpniktiden und ferromagnetischen Heusler-Verbindungen diskutiert. Die Eisenpniktide sind eine neuartige Klassen von Hochtemperatursupraleitern, deren Eigenschaften sich aus einem Zusammenspiel von Supraleitung und Magnetismus ergeben. Während die sogenannten 122-Pniktide Antiferromagnetismus aufweisen und unter Dotierung in einen supraleitenden Zustand übergehen, konnte in dotiertem LiFeAs Ferromagnetismus beobachtet werden. Undotiert hingegen zeigt dieses Material interessante supraleitende Eigenschaften. Die Heusler-Verbindungen sind u.a. durch ihren Ferromagnetismus bekannt. Das hier untersuchte Co2FeSi ist einer der stärksten Ferromagnete. Der in diesem Material vorhergesagte vollständig spinpolarisierte elektronische Transport, d.h. alle Leitungselektronen besitzen den gleichen Spin, konnte nachgewiesen werden. Die hier genannten Eigenschaften können exzellent mit der Methode der elektronischen Transportmessungen untersucht werden. Deren Ergebnisse aus Messungen an Einkristallen werden in dieser Arbeit diskutiert. / In this work, results of electronic transport measurements are discussed for superconducting iron pnictides as well as for ferromagnetic Heusler compounds. The iron pnictides are a recently discovered class of high temperature superconductors where magnetism might play a crucial role. While the 122-pnictides show antiferromagnetism and migrate to the superconducting state upon doping, ferromagnetism has been observed in doped LiFeAs. On the other hand, in the undoped state this material shows interesting superconducting properties. Among other propierties, Heusler compounds are well known due to their ferromagnetism. Co2FeSi, which was investigated in this work, is one of the strongest ferromagnets. Beside this, one predicts this compound to be a half-metallic ferromagnet with completely spin polarized electronic transport where all conducting electrons have the same spin. The here addressed properties can well be investigated with the method of electronic transport measurements, whose results on single crystals are discussed in this work.

In dieser Arbeit werden Messungen der elektrischen und thermischen Transportkoeffizienten an einem antiferromagnetisch ordnenden Iridat und FeAs-basierten Hochtemperatursupraleitern vorgestellt und analysiert. Iridate sind Materialien mit starker Spin-Bahn-Kopplung. In dem zweidimensionalen Vertreter Sr_2IrO_4 führt diese Kopplung zu isolierendem Mott-Verhalten mit gleichzeitiger antiferromagnetischer Ordnung der gekoppelten Spin-Bahn-Momente. Somit stellt Sr2IrO4 ein Modellsystem für die Untersuchung magnetischer Anregungen dieser Momente in Iridaten dar. Die Analyse der Wärmeleitfähigkeit von Sr_2IrO_4 liefert erstmals klare Hinweise auf magnetische Wärmeleitung in den Iridaten. Die extrahierte magnetische freie Weglänge gibt Aufschluss über die Streuprozesse der zum Wärmetransport beitragenden Magnonen und lässt Schlüsse über die Anregungen des gekoppelten Spin-Bahnsystems zu. Die FeAs-Hochtemperatursupraleiter haben aufgrund ihrer geschichteten Kristallstruktur einen hauptsächlich zweidimensionalen Ladungstransport. Die Phasendiagramme dieser Materialien setzen sich aus Ordnungsphänomenen zusammen, die Magnetismus, Supraleitung und eine Strukturverzerrung umfassen. Das Hauptaugenmerk richtet sich auf die Reaktion der Transportkoeffizienten mit den sich ausbildenden Phasen in Vertretern der 111- und 122-Familien unter chemischer Dotierung innerhalb und außerhalb der Schichtstruktur. Mithilfe von Widerstand und magnetischer Suszeptibilität lassen sich Phasendiagramme der verschiedenen Supraleiterfamilien konstruieren. In ausgewählten Fällen werden der Hall-Koeffizient und elektrothermische Transporteffekte genutzt, um das Phasendiagramm näher zu erforschen. Der Großteil der Untersuchungen zeigt omnipräsente elektrische Ordnungsphänomene, die als nematische Phase bezeichnet werden. Die Messdaten zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit und der Nernst-Koeffizient dominant von Fluktuationen, die der nematischen Phase vorausgehen, beeinflusst werden. Aus den Ergebnissen der Nernst-Daten an dotiertem BaFe_2As_2 werden Schlüsse über die der nematischen Phase zugrunde liegenden Mechanismen des korrelierten Elektronensystems gezogen.

At their discovery in 2008, iron pnictide superconductors (IPS) provoked tremendous scientific interest, comparable to the discovery of the cuprate superconductors. So far, IPS reached critical temperatures T c up to 56K. Typically, they show an antiferromagnetic (afm) spin density wave (SDW) which has to be suppressed by doping before superconductivity develops, which then is supported by further doping. Due to the close vicinity of the magnetic and the superconducting (sc) phase, magnetic fluctuations are discussed to be responsible for the sc pairing mechanism in IPS. A special member of the IPS is LiFeAs, because it does not need doping to become sc. It is a stoichiometric superconductor at a T c of 18K. In fact, doping is suppressing its T c . Also, there is no sign of an afm SDW present. Therefore, LiFeAs is a interesting material to study the properties of the IPS in an undisturbed material. In 2010, experiments of the Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW Dresden) revealed further surprising properties of LiFeAs. Samples with a Li deficiency undergo a ferromagnetic (fm) phase transition at 165K. Theoretical calculations suggest that fm fluctuations could induce triplet superconductivity in LiFeAs. This would cause a nonvanishing dynamic susceptibility below T c , which is supported by nuclear magnetic resonance (NMR) experiments. This thesis is discussing the results of the IFW Dresden experiments, and concludes that this ferromagnetism is of weak itinerant nature. The origin might be an increase of the density of states (DOS) at the Fermi level, which is causing an instability towards fm order, as proposed by the Stoner model. For further doping experiments, the synthesis procedure of polycrystalline LiFeAs was optimized to get samples with maximum T c and minimum impurities. Therefore, nuclear quadrupole resonance (NQR) was used. The NQR line width is a measure of impurities in the sample. By minimizing the NQR line width, optimal samples were synthesized. These samples are able to compete with the properties of single crystals. To investigate the doping behavior of LiFeAs, a scenario with four different kinds of impurities and deficiencies was performed with the optimized synthesis procedure. 24 different samples were analyzed, by means of NQR and electrical conductivity. It was found that in fact Fe excess is responsible for changing the physical properties of LiFeAs, and not Li deficiency. It is causing a shrinking of the unit cell volume, as seen by X-ray diffraction (XRD) measurements and it causes a decrease of T c . It also leads to a decrease of room temperature resistivity, which is supporting an increase of the DOS at the Fermi level. The NQR frequency is scaling with the amount of Fe excess and can be used to draw the sc and fm phase diagram of off-stoichiometric LiFeAs. At an amount between 3.2 and 3.6% o f Fe excess LiFeAs undergoes the fm transition.

In dieser Arbeit wurde die Ausgangsverbindung der eisenbasierten Supraleiter, LaFeAsO, durch die Synthese und Charakterisierung von poly- und einkristallinen Proben untersucht. Supraleitung kann in den eisenbasierten Supraleitern durch Elektronen- oder Lochdotierung hervorgerufen werden. Die Substitution von Eisen durch Mangan, formal eine Lochdotierung, hat hingegen einen destruktiven Effekt auf die Supraleitung. Dieser ist bei optimal fluordotiertem LaFeAs(O,F) um Größenordnungen stärker ausgeprägt als bei Nd- oder Sm-FeAs(O,F). Indem Lanthan partiell durch das kleinere Yttrium substituiert wurde, konnte gezeigt werden, dass diese unterschiedlich starke Mangantoleranz durch die Unterschiede im Seltenerdmetall-Ionenradius bedingt ist. Weiterhin finden sich Anzeichen, dass die Unterdrückung der Supraleitung durch Mangan mit Elektronenlokalisierung korreliert ist. Das Fehlen von großen dreidimensionalen Einkristallen der SEFeAsO-Verbindungsklasse stellt ein großes Hindernis in der Erforschung der elektronischen Eigenschaften der eisenbasierten Supraleiter dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Verfahren der Festkörper-Einkristallzüchtung ein geeignetes Mittel darstellt, um große, facettierte SEFeAsO-Einkristalle mit ausgeprägtem Wachstum in c-Richtung zu erhalten. Mit diesem neu entwickelten Einkristallzüchtungsverfahren konnte ein aktualisiertes Phasendiagramm von La(Fe,Co)AsO erstellt werden. Die Substitution von Eisen durch Cobalt entspricht einer Elektronendotierung und führt zu Supraleitung mit einer maximalen Sprungtemperatur von 12 K. Die Ausgangsverbindung LaFeAsO zeigt bei etwa 156 K einen strukturellen Phasenübergang von einer tetragonalen zu einer orthorhombischen Struktur, weiterhin tritt unterhalb von etwa 138 K eine Spindichtewelle auf. In Einklang mit dem bekannten Phasendiagramm werden mit Cobaltdotierung die beiden Übergänge unterdrückt, mit höheren Cobaltkonzentrationen kommt es zu Supraleitung. Anders als beim bekannten Phasendiagramm kann eine deutliche Aufspaltung zwischen magnetischem und strukturellen Übergang bei kleinen Cobaltkonzentrationen beobachtet werden. Außerdem findet sich eine Region der Koexistenz zwischen Supraleitung und Spindichtewelle. Bisher konnte ein solcher Zustand im SE(Fe,Co)AsO-System nicht beobachtet werden.

Die Legierungsserie CeFeAs1−xPxO bietet die Möglichkeit, eine außergewöhnliche Vielfalt unterschiedlicher Grundzustände mit starken Korrelationen der 3d- und der 4f-Elektronen zu untersuchen. CeFePO ist an der Grenze zwischen einem paramagnetischen und einem ferromagnetischen Ce-Zustand und zeigt starke 4f-Korrelationen, die zu Schwere-Fermionen-Verhalten führen, während Fe unmagnetisch ist. Im Gegensatz dazu sind die Eigenschaften von CeFeAsO durch die 3d-Korrelationen des Fe dominiert, die zu antiferromagnetischer Ordnung unterhalb von T_N(Fe) = 145K führen, während sich Ce in einem stabilen dreiwertigen Zustand befindet und unterhalb von T_N(Ce) = 3.7K ebenfalls antiferromagnetisch ordnet. Man erwartet deshalb mindestens zwei kritische Punkte, an denen die magnetische Ordnung unterdrückt wird. Hier sollte insbesondere geklärt werden, ob bei diesen kritischen Konzentrationen Quantenphasenübergänge auftreten, bei denen die Ordnungstemperatur zu T = 0K verschoben ist und in denen die Ursache von Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten und unkonventioneller Supraleitung gesehen wird. Grundlage für die Untersuchungen war zunächst die Züchtung qualitativ hochwertiger Einkristalle hinreichender Größe, was im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gelungen ist. Hierzu wurde eine Sn-Flux Methode optimiert, mit der plättchenförmige Einkristalle mit Abmessungen von typischerweise 1mm x 1mm x 0.1mm und Massen bis 0.6mg erhalten werden konnten. Zur Bestimmung struktureller Parameter kamen Röntgenbeugung, energiedispersive Röntgenspektroskopie und chemische Analyse zum Einsatz. Physikalische Eigenschaften wurden vor allem durch Messungen der Spezifischen Wärmekapazität, der Magnetisierung und des elektrischen Widerstandes im Temperaturbereich T = 0.35 − 300K untersucht. Die antiferromagnetische Ordnung von Fe in CeFeAsO ist mit einer orthorhombischen Verzerrung verbunden, die bei einer etwas höheren Temperatur von T_0 = 151K stattfindet. Diese Phasenübergänge sind von besonderem Interesse, da ihre Unterdrückung zur Ausbildung von Hochtemperatur-Supraleitung in den Eisenpniktiden führt, ihr Wechselspiel aber nicht vollständig verstanden ist. Sie unterteilen die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ρ(T) von CeFeAsO in zwei Bereiche. In der paramagnetischen tetragonalen Phase nimmt ρ(T) beim Abkühlen von Raumtemperatur aus bislang ungeklärter Ursache zunächst leicht zu. Erst mit Einsetzen der orthorhombischen Verzerrung bei T_0 kehrt sich die Temperaturabhängigkeit um und ρ(T) nimmt mit sinkender Temperatur ab, wobei die Abnahme bei T_N(Fe) nochmals stärker wird und bis zu tiefsten Temperaturen metallisches Verhalten beobachtet wird. Dass sich CeFeAsO somit nicht unmittelbar an der Grenze zu einem Mott-Isolator befindet, wie es in Anlehnung an die Kuprat-Supraleiter zunächst vermutet wurde, und Restwiderstandsverhältnisse von RRR > 10 überhaupt möglich sind, konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden. Durch sorgfältige Untersuchung des Temperaturunter- schiedes zwischen T_N(Fe) und T_0 und dem Vergleich mit dotierten und undotierten AFe2As2-Verbindungen konnte ein vereinheitlichtes Bild der Ausgangsverbindungen aller Fe-basierten Supraleiter geschaffen werden. In diesem tritt im Temperaturbereich T_N(Fe) < T < T_0 eine elektronische nematische Phase hervor, deren Existenzbereich durch die magnetische Kopplung entlang der kristallographischen c-Achse und deren Defektabhängigkeit bestimmt ist. Wie alle Substitutionen in RFeAsO-Verbindungen führt die Ersetzung von As durch P auch in CeFeAs1−xPxO zu einer Verringerung von T_N(Fe). Ein quantenkritischer Punkt mit T_N(Fe) --> 0K ist jedoch unwahrscheinlich, da ab einer kritischen Konzentration von x = 0.30 die Signatur der Eisen-Ordnung in ρ(T) zwar merklich schwächer wird, T_N(Fe) ≈ 40K bei weiterer Erhöhung von x aber nicht mehr zu tieferen Temperaturen schiebt. In Proben mit der kritischen Konzentration von x = 0.30 - und nur in diesem Konzentrationsbereich - konnte reproduzierbar ein verschwindender elektrischer Widerstand und damit ein Hinweis auf Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von T_SL= 4K gefunden werden. Im Gegensatz zur ’Dom-förmigen’ Abhängigkeit der Sprungtemperatur von der Konzentration eines Fremdatoms in den Phasendiagrammen anderer Fe-basierter Supraleiter nimmt jedoch T_SL in CeFeAs1−xPxO bei weiterer Erhöhung von x nicht zu. Stattdessen wird bei x > 0.30 ein ferromagnetisch geordneter Grundzustand (des Ce) stabilisiert, der mit Supraleitung konkurriert. Die antiferromagnetische Ordnung von Cer in undotiertem CeFeAsO weist typische Merkmale magnetischer Ordnung lokaler Momente auf und impliziert eine Dominanz der RKKY-Wechselwirkung gegenüber einem schwachen Kondo-Effekt. Die Ersetzung von As durch P wirkt als chemischer Druck und stabilisiert somit den unmagnetischen Valenzzustand Ce4+. Trotzdem ist die Ce-Ordnung bei kleinen P-Konzentrationen - im Gegensatz zur Fe- Ordnung - nahezu unverändert vom Verhalten in undotiertem CeFeAsO. Bei der kritischen Konzentration von x = 0.30 tritt überraschend ein plötzlicher Übergang von antiferromagnetischer zu ferromagnetischer Ordnung mit einer Curie-Temperatur von T_C(Ce) = 4K auf, der offensichtlich mit der Unterdrückung der Fe-Ordnung korreliert ist und nicht nur aus einem reinen Volumeneffekt resultiert. Als mögliche Ursache wird eine Umstrukturierung der Fermi-Fläche bei Unterdrückung der Fe-Ordnung betrachtet, die zu einem Vorzeichenwechsel der Austauschkopplung J_ij bei RKKY-Wechselwirkung führt. Bei hohen Phosphor-Konzentrationen sinkt T_C(Ce) und geht bei x = 0.90 von ferromagnetischer zur antiferromagnetischer Ordnung über, wie es bei Annäherung an einen quantenkritischen Punkt bereits in einer Vielzahl ferromagnetischer Systeme beobachtet wurde. In stöchiometrischem CeFePO wurde magnetisch kurzreichweitige Ordnung und Spin-Glas-Verhalten mit einer charakteristischen Temperatur von T_SG= 0.75K gefunden. Der Unterschied zur früher gemachten Beobachtung eines paramagnetischen Grundzustandes resultiert einzig aus Variationen bei der Synthese und ist in strukturellen Parametern nicht nachweisbar - eine für Schwere- Fermionen-Systeme typische Sensitivität! Der zweite kritische Punkt, an dem die Ce-Ordnung verschwinden sollte, liegt also nicht wie zu Beginn erwartet bei hohen P-Konzentrationen, sondern in stöchiometrischem CeFePO. Eine Wärmebehandlung von CeFePO bei T ∼ 800◦C kann zur gezielten Manipulation des Grundzustandes genutzt werden und hat zur Ausbildung von logarithmischer Divergenz der spezifischen Wärmekapazität C/T und damit einem ersten direkten Hinweis auf Quantenkritikalität geführt.