Von ungewöhnlichen magnetischen Phasenübergängen in korrelierten Elektronensystemen
Magnetische Phasenübergänge spielen sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei praktischen Anwendungen eine große Rolle. In der hier vorliegenden Arbeit werden beide Aspekte untersucht.
Nach den theoretischen und experimentellen Grundlagen wird mit der Erforschung des magnetischen und elektronischen Phasendiagramms der antiferromagnetischen Substanz U2Rh3Si5 begonnen. Dieses System zeichnet sich durch einen magnetisch/strukturellen Übergang erster Ordnung aus. Durch Messungen der Magnetisierung und Magnetostriktion in gepulsten Magnetfeldern konnten ein komplexes Hochfeldverhalten festgestellt werden. Durch ergänzende temperaturabhängige Messungen wurde des komplexe magnetische Phasendiagramm aufgestellt. Darüber hinaus zeigt der spezifische Widerstand ein überraschendes Feature nahe des magnetischen Übergangs.
In dieser Arbeit haben wir mit UNi4B ein weiteres metallisches Uransystem untersucht, welches sich durch eine ungewöhnliche Form der partiellen antiferromagnetischen Ordnung auszeichnet. Diese Interpretation beruht jedoch auf einer inkorrekten Bestimmung der kristallographischen Struktur. Da es diesbezüglich noch offene Fragen gab, haben wir umfassende Neutronendiffraktionsexperimente durchgeführt und waren in der Lage, die Details der Kristallstruktur aufzulösen. In einem nächsten Experiment konnten wir dann die komplexe magnetische Struktur bestimmen.
Mit Nb1-yFe2+y wurde auch ein Material untersucht, bei dem durch Variation von y ein quantenkritischer Punkt im Phasendiagramm erreicht werden kann. In dieser Arbeit haben wir umfassende Myonenspinspektroskopieexperimente an unterschiedlichen Proben durchgeführt. Ein besonderer Fokus lag jedoch auf den Messungen an einer quantenkritischen Probe, die bis in den mK-Bereich keine langreichweitige Ordnung zeigt. In unseren Experimenten konnten wir magnetische Fluktuationen nachweisen, welche zum Teil durch natürliche Stöchiometrievariation ausgelöst werden.
Abschließend verlassen wir die reine Grundlagenforschung und wenden uns einem neuartigen Kühlkonzept zu, welches z.B. für die Raumfahrt von Interesse sein könnte. Dabei soll der magnetokalorische Effekt, also die adiabatische Temperaturänderung einer Probe in einem externen Magnetfeld, ausgenutzt werden. Nach Abschluss der Vorüberlegungen konnte ein Prototyp gebaut und erste Experimente durchgeführt werden. Diese Arbeit beinhaltet zum Schluss noch eine mögliche Weiterentwicklung unseres Prototyps, um die Effizienz und Kühlleistung zu erhöhen.
Magnetic phase transitions play a major role in fundamental research and practical applications. In this work both aspects are investigated.
After the theoretical and experimental background, the study of the magnetic and electronic phase diagram of the antiferromagnetic compound U2Rh3Si5 is presented. This material is characterised by a first-order magnetic/structural transition. Our measurements of magnetisation and magnetostriction in pulsed magnetic fields revealed a complex high-field behaviour and strong magnetic anisotropy between the crystallographic axes. Moreover, the resistivity shows a surprising feature near the magnetic transition and we conclude that it could be a signature of a novel electronic phase.
In this work, we have investigated another metallic uranium system, UNi4B. It was published that UNi4B is characterised by an unusual form of partial antiferromagnetic order. However, this interpretation is dependent on an incorrect determination of the crystallographic structure. We carried out extensive neutron diffraction experiments and were able to resolve the details of the crystal structure. In a subsequent experiment, we were then able to determine the complex magnetic structure.
With Nb1-yFe2+y, a material has been studied where a quantum critical point in the phase diagram can be reached by varying y. In this work, we performed extensive muon spin spectroscopy experiments on different samples. A main emphasis was put on the measurements on a quantum-critical sample, which does not show any long-range order down to the mK range. In our experiments, we were able to detect magnetic fluctuations, which may in part be triggered by natural variations of the stoichiometry.
In the end, we leave fundamental research and turn to a new type of cooling concept that could be of interest, for example, for space craft. For this purpose, the magnetocaloric effect, i.e., the adiabatic temperature change of a sample in an external magnetic field, is to be exploited in this work. The focus lies on the design of the magnetocaloric material and the magnet setup for a prototype. After the preliminary considerations were completed, all components were put together and the first experiments were carried out for the proof of concept. Finally, this work includes a possible improvement of our prototype to increase efficiency and cooling performance.
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