Phaseninstabilität hochkorrelierter Materialien

In den vergangen Jahren wurde das Standardmodell für Metalle- das sogenannte Fermiflüssigkeitsmodell - durch eine rasch wachsende Anzahl von Systemen mit anormalen Verhalten bei tiefen Temperaturen zunehmend in Frage gestellt. Die meisten dieser Systeme befinden sich im Bereich eines quantenkritischen Punktes, d.h., eines kontinuierlichen Phasenübergangs, zwischen, typischerweise, einer magnetisch geordneten und einer paramagnetischen Phase. Andere Systeme sind nahe daran, ihre intrinsischen magnetischen Momente zu verlieren. Beispiele dieser neuartigen Formen von Quanten-Ordnung sind singuläre Fermiflüssigkeiten, Zustände, für die Supraleitung und metallischer Formen von ferro- oder antiferromagnetischer Ordnung koexistieren, oder unkonventionelle Ladungs-, Strom- oder Spinordnungen sowie exotische Formen von nicht-BCS Supraleitung. Das Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist eine detaillierte Untersuchung von metallischen Systemen, die starke Elektronenkorrelationen besizten, die als Vorläufer der obengenannten anormalen Eigentümlichkeiten betrachtet werden können. Dafür wurden 2 verschiedene Gruppen von Materialien identifiziert und-ein Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens ist eine ausführliche Untersuchung des jüngst vom Antragsteller entdeckten schwere Fermionen Supraleiters CePt3Si. Dieses Material ist der erste magnetische Supraleiter ohne Inversionszentrum. Diese Tatsache hat wesentliche Konsequenzen für den Ordnungsparameter und jene Elektronen, die einer starke Spin - Bahn Kopplung unterliegen und die Cooperpaare formen, sollten um die Fermioberfläche im Impulsraum rotieren. Ternäre Yb Verbindungen (z.B. Yb2Pd2In), als weiterer Brennpunkt des vorgeschlagenen Projekts, repräsentieren die Loch-Analogie zu Ce Verbindungen, besitzen ein ebenso reiches Verhalten der Grundzustandseigenschaften als die wesentlich besser untersuchten Cer Systeme. Forschung in diesem Bereich der Festkörperphysik wird helfen, Schlussfolgerungen zu ziehen und Übereinstimmung zu erreichen unter anderem über i) den Ursprung und die Eigentümlichkeiten der unkoventionellen supraleitenden Phase in CePt3Si; ii) den Einfluss der nicht-centrosymmetrsichen Kristallstruktur auf den supraleitenden Ordnungsparameters in CePt3Si; iii) Ähnlichkeiten und Verschiedenheiten in der Grundzustandsphysik von Yb Verbindungen in Bezug auf vergleichbare Ce Systeme, insbesondere in der Nähe eines quantenkritischen Punktes.

Das Ziel des FWF Projekts P18054 war eine detaillierte Studie physikalischer Eigenschaften von Materialien, die durch starke Elektronenkorrelationen charakterisiert sind. Zwei Gruppen von Systemen wurden dabei besonders berücksichtigt: CePt 3 Si, als erster schwer-Fermionen Supraleiter, der kein Inversionszentrum in seiner Kristallstruktur aufweist. Diese Eigenheit hat außergewöhnlich großen Einfluss auf den supraleitenden Ordnungsparameter, d.h., auf die Art der Supraleitung, die bei sehr tiefen Temperaturen auftritt. Yb Systeme waren ein weiterer Fokus von Arbeiten im Rahmen dieses Forschungsprojekts. Yb Systeme stellen ein Analog zu Ce Systemen dar und weisen ebenfalls ein reiches Spektrum an Grundzustandseigenschaften auf. Die wichtigsten Ergebnisse des abgeschlossenen Projektes P18054 sind: (a) Supraleitung im nicht-zentrosymmetrischen System CePt 3 Si und verwandter Systeme. Materialien, die starke Elektronenkorrelationen aufweisen, erlauben es auch in einigen Fällen unkonventionelle Supraleitung zu finden und zu untersuchen. Gewöhnlich werden Cooper Paare in diesen Systemen nicht durch Wechselwirkung mit Gitterschwingungen geformt, sondern mittels magnetischer Fluktuationen. Dies führt dazu, dass kein hochsymmetrischer Zustand (s-Wellen Supraleitung) geformt wird, sondern endliche orbitale Momente beteiligt werden. Wenn die Inversionsymmetrie der Kristallstruktur fehlt, führt dies zu eigenartigen Aufspaltungen der Bänder in der Nähe der Fermienergie. Diese Bandaufspaltung ist nachteilig für bestimmte Cooperpaar Kanäle. Insbesondere wurde Spin-Triplett Paarung als unmöglich erachtet. CePt 3 Si ist der erste Vertreter von schwer- Fermionen Supraleitung ohne Inversionssymmetrie. Mikroskopische und makroskopische Studien zeigen eine Koexistenz von Supraleitung bei Tc = 0.75 K und magnetische Ordnung bei TN = 2.25 K. Die Absenz von Inversionssymmetrie führt zu einem supraleitenden Ordnungsparameter, der aus Spin-Singlett und Spin-Triplett Komponenten besteht, wie es aus einer einzigartigen NMR Relaxationsrate und einer linearen Temperaturabhängigkeit der Eindringtiefe geschlossen werden kann. Das Nichtvorhandensein einer signifikanten Anisotropie des oberen kritischen Magnetfelds kann durch eine helixartige Modifikation des Ordnungsparameters erklärt werden. Phasendiagramme für CePt 3 Si wurden auf Basis von Druckexperimenten und Substitutionen erstellt. Sowohl die Anwendung von Druck als auch Substitutionen zeigen in jedem Fall, dass die supraleitende Sprungtemperatur ein Maximum für die reine Probe CePt 3 Si bei Normaldruck zeigt. Es ist von großer Wichtigkeit einzuordnen, welche der faszinierenden supraleitenden Eigenschaften dieser Systeme aus der Abwesenheit der Inversionssymmetrie herrührt und welche auf die starken elektronischen Korrelationen rückführbar sind. Ein vielversprechender Weg ist, Supraleiter ohne Inversionssymmetrie zu suchen, die keine oder nur schwache Korrelationen aufweisen. Im Laufe des Forschungsprojekts gelang es, zwei Supraleiter zu identifizieren, die keine Inversionssymmetrie besitzen und nur aus "einfachen" Elementen aufgebaut sind, Al3 Mg 2 und BaPt 3 Si. Es zeigt sich, dass beide Systeme vollständig durch die BCS Theorie, also die einfachste Theorie für SL, sowie durch s- Wellen Paarung beschrieben werden kann. (b) Zwei magnetische quantenkritische Punkte in Yb2 Pd2 Sn. Ce und Yb Systeme sind ein ideales Feld, um die wichtigsten Besonderheiten konkurrierender elektronischer Grundzustände und jene Eigenheiten zu untersuchen, die mit einem quantenkritischen Punkt (QCP) einhergehen. Wir haben zum ersten Mal zwei aufeinanderfolgende QCP gefunden, die durch Druck bewirkt werden. Diese QCP entstehen aus einer nicht-Fermi Flüssigkeit an den Ursprüngen einer domartigen magnetischen Phase in Yb2 Pd2 Sn bei Drücken von pc1 1 GPa und pc2 4 GPa. Dieses einzigartige Verhalten von Yb Verbindungen ist ein Ergebnis von gegenseitig konkurrierenden und durch Druck modifizierten Energieskalen. Diese bewirken im Fall von Yb 2 Pd2 Sn ein Vorzeichenwechsel der Druckabhängigkeit der Kondotemperatur TK und der magnetischen Ordnung TN . Es ist sehr wahrscheinlich, dass diese Beobachtung in Ce Systemen nicht gemacht werden kann.