Pressure and field response of strongly correlated electron systems

Abstract

Stark korrelierte Elektronensysteme (SCES) repräsentieren eine Klasse von intermetallischen Verbindungen, bei welchen die Elektron-Elektron Korrelationen bei außerordentlich tiefen Temperaturen zu schwerem Fermionen Verhalten oder auch Supraleitung führen. Druck als thermodynamische Variable ermöglicht die Isolierung jener mikroskopischen Mechanismen, welche für die beobachteten anomalen Eigenschaften verantwortlich sind. Aus diesem Grund tragen druckabhängige Untersuchungen solcher Materialien zu einem besseren Verständnis dieser Systeme und der auftretenden Phänomene bei.<br />Diese Doktorarbeit fasst die experimentellen Beobachtungen bezüglich der Entwicklung des Grundzustandes und anderer physikalischer Eigenschaften einiger SCES Verbindungen unter hohem Druck und magnetischen Feldern zusammen.<br />Insbesondere wurden zwei Materialklassen untersucht: (i) Yb basierende Kondo Gitter, unter anderem Yb2Pd2In(1-x)Snx und YbPd(2-x)PtxSi, (ii) Materialen, welche Supraleitung aufweisen wie Mo3Sb7 und Ce2PdIn8. Die Auswirkungen von Druck und Feld wurden durch Messungen des elektrischen Widerstands unter verschiedenen hydrostatischen Drücke und magnetischen Feldern bewertet. Zusätzlich wurden physikalische Eigenschaften wie die spezifische Wärme oder die magnetische Suszeptibilität für einige Proben untersucht. Die Auswertung der Daten basiert auf verschiedenen theoretischen Modellen, welche in der Literatur diskutiert wurden. In einigen Fällen, bei welchen keine passende Modellbildung existiert, wurde die Auswertung durch Vergleiche oder phänomenologische Interpretation durchgeführt.<br />Die Probenreihe Yb2Pd2In(1-x)Snx ordnet in der Nähe der Sn-reichen Konzentration magnetisch. Durch Einwirkung einer passenden Kombination von Druck und Feld, ist es möglich, die magnetische Instabilität aus einem einzigen Maximum in der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands zu separieren. Die interessante Druckabhängigkeit von YbPd2Si, im Vergleich zum Rest der Probenreihe YbPd(2-x)PtxSi, ist durch einen spezifischen Kristallfeldgrundzustand (Quasi-Quartett) gekennzeichnet, der zu weiteren unerwarteten Beobachtungen Anlass geben kann. Im Fall von Mo3Sb7 wurde es durch Druck möglich, das Auftreten einer Spin Dichtewellen zu detektieren. Für den schweren Fermionen Supraleiter Ce2PdIn8 mit nicht-Fermi Flüssigkeitsverhalten (nFl) führen sowohl Druck als auch Magnetfeld zur Unterdrückung der Supraleitung und verschieben das System in Richtung einer Fermiflüssigkeit. Die Supraleitung entsteht aus dem nFl Zustand, wobei die AFM-Spin Fluktuationen für die Bildung der Cooper-Paare aufgrund der Nähe zum quantenkritischen Punkt in Frage kommen kännten.<br />

Strongly correlated electron systems (SCES) represent a class of intermetallic compounds where electron-electron correlations result in extraordinary low temperature properties like heavy-fermion behavior or superconductivity. Pressure as a clean thermodynamic variable can re-scale microscopic mechanisms responsible for the observed anomalous properties. Therefore, pressure dependent studies of such materials essentially contribute towards a better understanding of the materials and the novel phenomena involved.<br />This work summarizes the experimental findings regarding the evolution of the ground state and other physical properties of some SCES compounds under high pressure and magnetic fields. Mainly two types of materials have been studied here: (i) Yb-based Kondo lattices, which include Yb2Pd2In(1-x)Snx and YbPd(2-x)PtxSi, (ii) materials exhibiting superconductivity, namely Mo3Sb7 and Ce2PdIn8. The effect of pressure and field has been assessed by measuring the temperature dependent electrical resistivity under different hydrostatic pressures and in applied magnetic fields. Further, physical properties like specific heat or magnetic susceptibility has also been studied for many samples. The data were analyzed in terms of different theoretical models available in the literature. In some circumstances where no appropriate models exist, analysis was made in a phenomenological manner or by comparisons.<br />The series Yb2Pd2In(1-x)Snx orders magnetically in a narrow Sn-rich concentration range. By applying appropriate pressure and field to a specific composition, it is possible to separate the magnetic anomaly out of a single maximum in temperature dependent eleitrical resistivity, rho(T). This demonstrated that magnetic order can significantly influence T(rho)(max), a characteristic feature of Kondo lattices. The unique pressure response of YbPd2Si, compared to the rest of series YbPd(2-x)PtxSi, is indicative of a different crystal electric field (CEF) ground state which can have some other consequences as well. In case of Mo3Sb7, by application of pressure it was possible to detect the presence of a hidden spin-density-wave anomaly, which was highlighted by pressure. For the non-Fermi liquid (nFl) heavy fermion superconductor Ce2PdIn8, both pressure and field tend to suppress superconductivity, driving the system towards a Fermi liquid state. Superconductivity emerges from the nFl state and may be mediated by Antiferromagnetic-spin fluctuations due to the proximity of a quantum critical point.<br />