Electronic Transport as Probe for the Ground State Properties in Heavy Fermion Materials and Heterostructures

Otop, Anna

In Zentrum dieser Arbeit stehen Untersuchungen zu den elektronischen Transporteigenschaften stark korrelierter Elektronensysteme. Dieses Thema wird ausführlich am Beispiel von Materialien aus der Gruppe Schwerer Fermionen (UCu4Pd oder UPt2Si2) sowie Heterostrukturen aus Supraleiter (Nb)/ Schwer-Fermion-System (CeCu6) diskutiert. Zusätzlich wurden die strukturellen und thermodynamischen Eigenschaften der Materialien untersucht. Im Fall der nicht-Fermi Flüssigkeits (NFL)-Verbindung UCu4Pd konnte beobachtet werden, dass der spezifische Widerstand drastische Änderungen nach einer Wärmebehandlung aufweißt. Dies wird in Verbindung mit der Reduzierung des Unordnugnsniveaus in dem Material gebracht. Weiterhin wird die Temperaturskalierung der magnetischen Suszeptibilität ausführlich diskutiert. Dabei werden verschiedene Modelle in Betracht gezogen, die gewöhnlich als Indikator für NFL Verhalten dienen. Basierend, auf diesen Resultaten, wird ein neues phenomenologisches Phasendiagramm vorgeschlagen, in dem ein neuer Kontrollparameter das Unordnungsniveau eingeführt wird. UPt2Si2 ist ein Modellsystem für Studien zum Einfluss moderater Unordnung auf die physikalischen Eigenschaften der Schwer-Fermion Systemen. Für eine einkristalline, nicht getemperte Probe wird eine zufällige Pt/Si Ionen-Auslenkung aus ihren hochsymmetrischen Plätzen als Quelle der Unordnung identifiziert. Die moderate Unordnung beeinflusst stark die thermodynamischen Eigenschaften des Systems, wie spezifische Wärme oder magnetische Suszeptibilität. Die hier vorgeschlagene Interpretation der Ergebnisse basiert auf einem Bild kleiner antiferomagnetischer Bereiche, die als Resultat der Unordnung oberhalb der antiferomagnetischen Ordnungstemperatur entstehen. Das Konzept findet Bestätigung in magnetischen Untersuchungen, wie Neutronenstreuung und Myonspin-Relaxationsmessungen. In Verbindung mit diesen Resultaten werden die Ergebnisse von Messungen der Transporteigenschaften, spezifisches Widerstandes, Magnetowiderstandes und der Temperaturabhängigkeit der Hallkonstante ausführlich diskutiert. Nb/CeCu6 Strukturen dienten zum Studium des proximity Effektes in Strukturen mit Schwerfermionensystems. Die Abhängigkeit der kritischen Temperatur und des oberen kritischen Feldes von der Schichtdicke des Nb Filmes wird aus Transportmessungen bestimmt. Die Präparation von dünnen Filmstrukturen mit hocher Qualität ist in diesem Zusammenhang unablässig. Dementsprechend werden die Präparationbedingungen und Charakterisierung der Proben (chemische Zusammensetzung und Topology der Proben) im Detail diskutiert. Die Ergebnisse der Transportmessungen werden in Rahmen der Takahashi-Tachiki Theorie analysiert.

This thesis is dedicated to the study of the electronic transport properties of strongly correlated electron systems. The subject is extensively discussed for various heavy fermion materials such as UCu4Pd or UPt2Si2, and heterostructures of superconductor (Nb) / heavy fermion material (CeCu6). Further, the structural and thermodynamic properties of these systems are studied. For the non-Fermi liquid compound UCu4Pd it has been shown that the electrical resistivity is strongly sample dependent and drastically changes upon annealing, which is connected to changes of the actual disorder level in the material. Further, the temperature scaling of the susceptibility is discussed in view of the different models commonly taken as NFL indicators. In connection to these results a new phenomenological phase diagram is proposed in which a new and independent control parameter has been introduced, i.e., the level of disorder. UPt2Si2 appears to be a model system for a study of moderate disorder effects (crystallographic randomness on the level of 10%). For as-cast single crystals random ion displacement on certain non-magnetic (Pt/Si) sites from high symmetry positions has been found in neutron diffraction at low temperatures as source of the crystallographic disorder. The moderate disorder considerably influences the thermodynamic properties of the system, such as the specific heat or magnetic susceptibility. This can be explained in a picture of antiferromagnetic clusters forming above an antiferromagnetic phase transition temperature, and which act as condensation cores for AFM domains upon lowering the temperature below TN. The concept is supported by the results of magnetic structure measurements carried out by neutron diffraction and muon spin relaxation measurements. In connection with these results the electronic transport properties electrical resistivity, magnetoresistivity and the temperature dependence of the Hall constant, have been discussed in detail. In case of Nb/CeCu6 the proximity effect has been investigated. The dependence of the critical temperature and the upper critical field on varying the Nb film thickness has been measured via. electronic transport measurements. The preparation of high quality thin film structures is a crucial point in this study. Therefore, the preparation conditions and the characterization of the samples with respect to their stoichiometry and topography are extensively discussed. Based on the Takahashi-Tachiki theory an analysis of the upper critical field and critical temperature data has been proposed.

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Otop, Anna: Electronic Transport as Probe for the Ground State Properties in Heavy Fermion Materials and Heterostructures. 2006.

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