Supraleitung, Magnetismus und Nicht-Fermi-Flüssigkeits-Verhalten in Schwere-Fermionen-Systemen

Diese Arbeit befasst sich mit dem Wechselspiel von magnetischer Ordnung und Supraleitung (SL), sowie der Beobachtung von sogenanntem Nicht-Fermi-Flussigkeits (NFF)-Verhalten in einer speziellen Klasse intermetallischer Verbindungen, den Schwere-Fermionen (SF)-Systemen. Die elektronische spezifische Warme sowie die Pauli-Suszeptibilitat dieser Systeme sind im Vergleich zu einfachen Metallen um ein bis zwei Grosenordnungen erhoht. Die physikalischen Eigenschaften lassen sich durch die Annahme wechselwirkungsfreier Quasiteilchen mit stark erhohter effektiver Masse m* beschreiben. In SF-Supraleitern sind die schweren Quasiteilchen sowohl fur das Auftreten magnetischer Ordnung als auch fur die SL verantwortlich. Das Tieftemperaturverhalten von SF-Systemen lasst sich haufig nach dem von Landau vorgeschlagenen Fermi-Flussigkeits (FF)-Modell beschreiben. In jungster Zeit gelangen jedoch immer mehr Systeme in den Blickpunkt, die sich nicht mit dieser Theorie beschreiben lassen. Eine haufig diskutierte Erklarung fur dieses sogenannte NFF-Verhalten ist die Nahe des untersuchten Systems zu einem „Quantenkritischen Punkt“ (QKP). Dies bezeichnet den Punkt im magnetischen Phasendiagramm, an dem die magnetische Ordnungstemperatur TM auf T = 0 abnimmt. Die vorliegende Arbeit enthalt zunachst eine Beschreibung der grundlegenden experimentellen Techniken und Messmethoden. In einer Abhandlung der theoretischen Grundlagen werden wesentliche Eigenschaften von SF-Systemen sowie einige theoretische Modelle, welche sich mit dem Auftreten von NFF-Verhalten beschaftigen, vorgestellt. Im experimentellen Teil der Arbeit wird zunachst das SF-System CeNi2Ge2 behandelt, welches ausgepragtes NFF-Verhalten bei Atmospharendruck zeigt und das mit Abstand reinste System (r0 » 0.1mWcm) unter den Nicht-Fermi-Flussigkeiten ist. Es wurde eine relativ starke Probenabhangigkeit im Tieftemperaturverhalten beobachtet, insbesondere wurde an einigen Proben SL im elektrischen Widerstand beobachtet. Um zu untersuchen, ob dies eine intrinsische Eigenschaft von CeNi2Ge2 ist, sowie zur Analyse von NFF-Effekten, wurde eine systematische Untersuchung an leicht von der exakten Stochiometrie abweichenden Polykristallen durchgefuhrt. Die Ergebnisse zeigen einen systematischen Zusammenhang zwischen der Einwaage der Proben und deren physikalischen Eigenschaften. Fur B ³ 6T kann in sehr sauberen Proben (RRR ³ 200) nahe der stochiometrischen Zusammensetzung das Auftreten einer intrinsischen Hochfeldanomalie erfasst werden. Im Nullfeld bzw. fur Felder B £ 2T konnen zwei weitere Anomalien an einer ganzen Reihe von Proben festgestellt werden, deren intrinsische Natur jedoch nicht belegt werden kann. Dabei zeigen Proben mit einem leichten Ni-Uberschuss den Ansatz eines supraleitenden Phasenubergangs und Proben mit einem leichten Ni-Mangel eine als „A“-Phase bezeichnete Anomalie unbekannter Natur. Fur alle in r(T) untersuchten Proben wird im Nullfeld ein NFF-Verhalten beobachtet, weshalb CeNi2Ge2 auf der paramagnetischen Seite sehr nahe an einem QKP angenommen werden kann. Allerdings wird in thermodynamischen Messungen hierzu widerspruchliches Verhalten beobachtet. Dies konnte auf ein Zusammenbrechen des Quasiteilchen-Konzepts am QKP hindeuten. Anschliesend werden Untersuchungen am SF-Supraleiter CeCu2(Si0.9Ge0.1)2 vorgestellt. Die Dotierung von isoelektrischen Germanium-Atomen am Silizium-Platz fuhrt zu einer Vergroserung des Einheitszellenvolumens und damit zu einer Reduktion der Hybridisierungsstarke zwischen 4f- und Valenzelektronen. Dies fuhrt zu einer Stabilisierung der schon fur x = 0 beobachteten Spin-Dichte-Wellen-artigen, sogenannten „A“-Phase, wobei TA deutlich ansteigt. Die Untersuchungen an den Einkristallen zeigen neben der schon bekannten „A“-Phase das Auftreten einer weiteren Anomalie unterhalb von TA, deren genaue Natur zur Zeit noch untersucht wird. Eine charakteristische Eigenschaft der Dotierungsreihe U1-xThxBe13 ist der nicht-monotone Verlauf von Tc(x), der verbunden ist mit dem Auftreten eines zweiten Phasenuberganges Tc2 innerhalb der supraleitenden Phase im Dotierungsbereich xc1 » 1.9% £ x £ 4.55% » xc2. Die Untersuchungen der Wechselfeldsuszeptibilitat und des Meissner-Effektes geben Aufschluss uber die Entwicklung der SL in diesem System, wobei speziell der Konzentrationsbereich x > xc2 interessierte, da in thermodynamischen Untersuchungen die beobachtete Anomalie fur x > 3% stark abnimmt und fur x ® xc2 nicht mehr aufgelost werden kann, so dass fur x > xc2 keine Aussagen uber das Auftreten von SL mehr moglich sind. Die Untersuchungen konnen nun auch fur Th-Konzentrationen oberhalb von xc2 das Vorliegen von Volumensupraleitung nachweisen und somit das T-x-Phasendiagramm dieser Dotierungsreihe vervollstandigen. An den hochwertigen SF-Systemen Yb2Ni2Al, YbCo2Ge2 und YbRh2Si2 bzw. YbRh2(Si0.95Ge0.05)2 wurde das Auftreten von NFF-Verhalten untersucht. Die Ergebnisse lokalisieren Yb2Ni2Al und YbCo2Ge2 auf der unmagnetischen Seite eines QKP, YbRh2Si2 (TN » 65mK) auf der magnetischen Seite eines QKP und YbRh2(Si0.95Ge0.05)2 in unmittelbarer Nahe eines QKP. Hier zeigt der elektrische Widerstand uber drei Dekaden der Temperatur (10mK £ T £ 10K) ein lineares Verhalten. Dabei belegt der niedrige Restwiderstand (r0 = 5mWcm), dass das NFF-Verhalten nicht durch Unordnung sondern durch die Nahe zum QKP hervorgerufen wird. Es wird gezeigt, dass ein ahnliches Skalenverhalten wie bei CeCu5.9Au0.1 vorliegt, so dass das hierfur entwickelte Szenario eines lokalen QKP moglicherweise auch auf YbRh2(Si0.95Ge0.05)2 anwendbar ist.