High pressure studies on quantum criticality of Ce-based Kondo lattices

Abstract

Stark korrelierte Elektronensysteme können verschiedene Grundzustände einnehmen. Das von den Abständen lokalisierter magnetischer Momente beeinflusste physikalische Verhalten wird dabei durch ein konkurrierendes Zusammenspiel von Kondoeffekt und RKKY-Wechselwirkung bestimmt. Die Stärke dieser Effekte kann mit einem externen Parameter wie z.B. Druck, Substitution oder durch ein Magnetfeld verändert werden. Dabei können verschiedene Grundzustände ausgebildet werden, welche durch den quantenkritischen Punkt voneinander separiert sind.<br />Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Materialien mit lokalisierten Elektronen in der 4f-Schale, welche ein periodisches Gitter bilden. Im Detail wird der spezifische Widerstand von [CeOs tief 4 As tief 12], [CeMg tief 3], [CeCu tief 6-x Mg tief x] und [LaCo tief 9 Ge tief 4] in Hinblick auf quantenkritisches Verhalten untersucht. Die Messungen wurden in einer Zylinderdruckzelle bei einer Temperatur bis zu 350mK und bei Drücken bis zu 13.5kbar durchgeführt.<br />Der dabei verwendete Kryostat beinhaltete eine supraleitende Spule, welche die Erzeugung von Magnetfelder bis zu 12T ermöglichte.<br />Die Auswertung der Messdaten ergaben für [CeOs tief 4 As tief 12] ein Kondoisolatorverhalten unterhalb der Temperatur von 46K, welches mit zunehmendem Druck stabilisiert wurde. Magnetfelder hatten, abhängig von Orientierung der Einkristalle und angelegtem Druck, eine enorme Wirkung und der Restwiderstand wurde um 80% verringert. Der [CeMg tief 3] Einkristall zeigte eine Verschiebung der antiferromagnetischen (AFM) Ordnungstemperatur zu höheren Temperaturen mit zunehmendem Druck. Das Maximum im Tieftemperaturbereich, welches proportional zur Kondotemperatur ist, wurde verringert. Es wurde ein Phasenübergang zu ferromagnetischer Ordnung in Magnetfeldern ab 6T beobachtet. Die Substitutionsserie [CeCu tief 6-x Mg tief x] zeigte eine ausgeprägte Abhängigkeit von Konzentration und Druck, wobei das Tieftemperaturminimum im spezifischen Widerstand mit Substitution bis x =0.6 anstieg und unter Druck verringert wurde. Der Einfluss von Magnetfeldern verringerte sich mit höherem Druck und höhere Substitution zeigte einen größeren negativen Magnetowiderstand.<br />[LaCo tief 9 Ge tief 4] ordnete AFM unterhalb von 11K, wobei die Ordnungstemperatur mit zunehmendem Druck sank. Ein quadratisches Verhalten im spezifischen Widerstand bei tiefen Temperaturen wurde identifiziert, wobei Anregungen der langreichweitigen magnetischen Ordnung durch Spinwellen beobachtet wurden. Magnetische Felder oberhalb von 6T unterdrückten die AFM Ordnung und der Magnetowiderstand wurde bei 12T um 30% verringert.<br />

The ground state of strongly correlated electron systems is constituted by an interplay between the Kondo effect and RKKY-interaction. However, the distance between adjacent local magnetic moments governs the interaction strength. The low temperature physical behaviour can be manipulated by external parameters, like substitution, pressure or magnetic field. A variation of these external parameters can lead to different ground states, crossing the quantum critical point.<br />In this diploma thesis dense 4f-systems, forming a regular lattice, were investigated. Specific resistivity studies were conducted for [CeOs tief 4 As tief 12], [CeMg tief 3], [CeCu tief 6-x Mg tief x] and [LaCo tief 9 Ge tief 4], concerning quantum criticality. Measurements were carried out in a cryostat down to 350mK, equipped with a superconductive coil to apply magnetic fields up to 12T. Pressure studies were examined in a piston-cylinder type pressure cell up to 13.5kbar.<br />[CeOs tief 4 As tief 12] revealed a Kondo insulating behaviour in the low temperature regime below 46K, stabilising with increasing pressure.<br />Magnetic fields had an enormous impact and the residual resistivity was decreased by 80% at highest values, depending on the orientation of the single crystal and the applied pressure. Studies of single crystalline [CeMg tief 3] revealed a shift of the antiferromagnetic (AFM) ordering temperature with pressure. The maximum at low temperatures, proportional to the Kondo temperature, decreased. Magnetic field studies indicated a phase transition to a ferromagnetic order above 6T. [CeCu tief 6-x Mg tief x] revealed a distinct behaviour with substitution and pressure.<br />The low temperature minimum in resistivity tended to higher values with substitution up to x =0.6 and a decrease in pressure. The influence of magnetic fields decreased in increasing pressure and higher substitution re- vealed a bigger negative magnetoresistance. Studies of [LaCo tief 9 Ge tief 4] pointed to an AFM order at around 11K with a decreasing behaviour at increasing pressure. The low temperature physics indicated a dominance of electron-electron interaction due to a clear squared dependence in resistivity, thus long range magnetic order is obeyed by spin waves. Magnetic fields above 6T suppressed the ordering and the magnetoresistance decreased by 30% at 12T.