Open Access

Christian Gold

• Neben den Hochtemperatursupraleitern zählen die sogenannten Schwere-Fermionen-Systeme zu den faszinierendsten Vertretern der stark korrelierten Elektronensysteme. Diese Verbindungen weisen, verursacht durch die Konkurrenz von Kondo-Effekt, RKKY-Wechselwirkung sowie elektrostatischen Kristallfeldeffekten eine große Vielfalt unterschiedlicher Grundzustandseigenschaften auf. Beispielsweise befinden sich viele dieser Systeme in der Nähe einer magnetischen Instabilität. An solch einem quantenkritischen Punkt erfolgt am absoluten Temperaturnullpunkt ein kontinuierlicher Übergang zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlicher Symmetrie. Abgesehen von den drei klassischen Kontrollparametern (i) chemische Substitution, (ii) hydrostatischer Druck und (iii) externes Magnetfeld scheint auch die Reduktion der effektiven Spinentartung N, d.h. die Reduktion der Anzahl an Kristallfeldniveaus, die durch den Kondo-Effekt abgeschirmt werden, quantenkritisches Verhalten induzieren zu können. Aufgrund derNeben den Hochtemperatursupraleitern zählen die sogenannten Schwere-Fermionen-Systeme zu den faszinierendsten Vertretern der stark korrelierten Elektronensysteme. Diese Verbindungen weisen, verursacht durch die Konkurrenz von Kondo-Effekt, RKKY-Wechselwirkung sowie elektrostatischen Kristallfeldeffekten eine große Vielfalt unterschiedlicher Grundzustandseigenschaften auf. Beispielsweise befinden sich viele dieser Systeme in der Nähe einer magnetischen Instabilität. An solch einem quantenkritischen Punkt erfolgt am absoluten Temperaturnullpunkt ein kontinuierlicher Übergang zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlicher Symmetrie. Abgesehen von den drei klassischen Kontrollparametern (i) chemische Substitution, (ii) hydrostatischer Druck und (iii) externes Magnetfeld scheint auch die Reduktion der effektiven Spinentartung N, d.h. die Reduktion der Anzahl an Kristallfeldniveaus, die durch den Kondo-Effekt abgeschirmt werden, quantenkritisches Verhalten induzieren zu können. Aufgrund der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt und einem ungewöhnlich hohen effektiven Spinentartungsgrad von N =4 handelt es sich bei der ternären 1-9-4 Verbindung CeNi9Ge4 um ein ideales Ausgangssystem zur experimentellen Untersuchung dieses neuen Parameters. Zum ersten und bislang einzigen Mal konnte ein derartiges Szenario in der Substitutionsreihe CeNi9-xCuxGe4 (0 ≤ x ≤ 1) beobachtet werden. Umfangreiche Studien belegen, dass in diesem System die Quantenkritikalität nicht alleine durch das Gleichgewicht zwischen Kondo-Effekt und RKKY-Wechselwirkung, sondern auch durch eine Reduzierung der effektiven Spinentartung hervorgerufen wird. Die Ergebnisse an der Kupferserie lieferten den Anreiz, im Rahmen dieser Arbeit weitere verwandte Mischungsreihen zu synthetisieren und hinsichtlich Quantenkritikalität zu untersuchen. Der Fokus lag hierbei auf den Systemen CeNi9Ge4-xSix, CeNi9Ge4-xGax, CeNi9-xFexGe4 und CeNi9-xCoxGe4. Methodisch unterstützt wurde dieses Vorhaben durch röntgenographische Studien, theoretische LDA+U-Rechnungen sowie umfangreiche, thermodynamische und magnetische Untersuchungen auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene. Aufgrund starker Kristallfeldeinflüsse offenbaren die untersuchten Systeme ein hohes Potential an interessanter Korrelationsphysik mit einer breiten Palette unterschiedlichster Grundzustände. Diese reichen von klassischem Kondo-Gitter-Verhalten in CeNi9Si4, über eine komplexe magnetische Ordnung in CeNi9Ga4 bis hin zur Koexistenz zweier magnetischer Untergitter in der Verbindung CeCo9Ge4. Ein quantenkritisches Szenario, wie es für die verwandte Kupferreihe im Vorfeld gefunden wurde, konnte allerdings in keinem der untersuchten Systeme beobachtet werden. Die Ursache hierfür lässt sich auf Unterschiede in den, bei den einzelnen Substitutionen betroffenen Wyckhoff-Positionen zurückführen. Während die einsetzende Substitution von Nickel durch Kupfer eine kontinuierliche Aufspaltung des N = 4 Grundzustands der ternären Verbindung CeNi9Ge4 bewirkt, weisen die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Mischungsreihen eine sprunghafte Änderung von N und somit eine Unterdrückung möglicher quantenkritischer Punkte auf. Eine abschließende Gegenüberstellung der zahlreichen Ergebnisse belegt somit eindeutig, dass für CeNi9-xCuxGe4 (0 ≤ x ≤ 1) nicht die Reduzierung der effektiven Spinentartung N sondern tatsächlich das Kristallfeld als neuer Kontrollparameter für Quantenkritikalität in Schwere-Fermionen-Systemen experimentell nachgewiesen werden konnte.…
• In addition to the high-temperature superconductors, the so-called heavy fermion systems are among the most fascinating representatives of strongly correlated electron systems. Caused by the competition of Kondo effect, RKKY interaction and electrostatic crystal field effects these compounds reveal a wide variety of different ground state properties. For example, many of these systems are located in the vicinity of a magnetic instability. At such a quantum critical point a continuous transition between two states with different symmetry occurs at absolute zero temperature. Apart from the three classic tuning parameters (i) chemical substitution, (ii) hydrostatic pressure, and (iii) external magnetic field also the reduction of the effective spin degeneracy N, i.e. the reduction of the number of crystal field levels which are shielded by the Kondo effect seems to induce quantum critical behavior. The proximity to a quantum critical point together with an unusually high effective spinIn addition to the high-temperature superconductors, the so-called heavy fermion systems are among the most fascinating representatives of strongly correlated electron systems. Caused by the competition of Kondo effect, RKKY interaction and electrostatic crystal field effects these compounds reveal a wide variety of different ground state properties. For example, many of these systems are located in the vicinity of a magnetic instability. At such a quantum critical point a continuous transition between two states with different symmetry occurs at absolute zero temperature. Apart from the three classic tuning parameters (i) chemical substitution, (ii) hydrostatic pressure, and (iii) external magnetic field also the reduction of the effective spin degeneracy N, i.e. the reduction of the number of crystal field levels which are shielded by the Kondo effect seems to induce quantum critical behavior. The proximity to a quantum critical point together with an unusually high effective spin degeneracy of N = 4 make the ternary 1-9-4 compound CeNi9Ge4 the perfect starting system for experimental studies of this new parameter. For the first and so far only time such a scenario could be observed in the substitution series CeNi9-xCuxGe4 (0 ≤ x ≤ 1). Extensive studies show that in this system quantum criticality is not only caused by the balance between Kondo effect and RKKY interaction but also by a reduction of the effective spin degeneracy. The results on the copper series provided the incentive to synthesize and analyze related systems with regard to quantum criticality in the scope of this work. The focus here was on the systems CeNi9Ge4-xSix, CeNi9Ge4-xGax, CeNi9-xFexGe4 and CeNi9-xCoxGe4. This thesis was methodologically supported by X-ray studies, theoretical LDA + U calculations and extensive thermodynamic and magnetic investigations on the macroscopic and microscopic level. Due to strong crystal field effects the systems under study reveal a high potential for interesting correlation physics with a wide range of different ground states. These range from a model-type Kondo lattice behavior in CeNi9Si4 through a complex magnetic order in CeNi9Ga4 up to the coexistence of two magnetic sublattices in the compound CeCo9Ge4. A quantum critical scenario, as it was found for the related copper series, could not be observed in any of the investigated systems. The reason for this can be attributed to differences in the Wyckhoff positions concerned with the individual substitutions. While the onset of nickel by copper substitution causes a continuous splitting of the N = 4 ground state of the ternary compound CeNi9Ge4 the systems in this work exhibit a sudden change of N and thus a suppression of possible quantum critical points. A final comparison of the various results clearly indicates that not the reduction of the effective spin degeneracy N but actually the crystal field has been experimentally demonstrated as a new tuning parameter for quantum criticality in CeNi9-xCuxGe4 (0 ≤ x ≤ 1) and thus for heavy fermion systems.…