Non-centrosymmetric superconductivity of intermetallic compounds in absence of strong correlations among electrons

Abstract

Supraleitung beschreibt die Eigenschaft eines Materials, unterhalb einer Sprungtemperatur Tc einen verschwindenden elektrischen Widerstand aufzuweisen, sowie ein kleines äußeres magnetisches Feld (µ0Hcth oder µ0Hc1) komplett zu verdrängen. Die mikroskopische Begründung wird durch die Kondensation von jeweils zwei Elektronen zu einem Cooper-Paar gegeben. Die einzelnen Cooper-Paare weisen eine Korrelation in Form einer einheitlichen Phase auf. Es entsteht somit eine makroskopische Wellenfunktion. Die genauen Paarungsmechanismen bzw. Voraussetzungen der Supraleitung sind bisher nicht vollständig erklärt. Spin-Triplet Paarung, sowie verschiedene ungewöhnliche Paarungskanäle haben das Interesse auf dem Weg zur Klärung des Phänomens Supraleitung weiter geweckt, um letztendlich Materialien und Strukturen zu finden, die Supraleitung bei höheren Temperaturen erlauben. Diese Dissertation handelt von Supraleitern ohne Inversionszentrum und ohne schwere Fermionen. Polykristalline und einkristalline Materialien wurden dafür im Lichtbogen geschmolzen. Die Probenmaterialien konnten im Anschluss durch Röntgendiffraktometrie eindeutig einer Raumgruppe ohne Inversionszentrum zugeordnet werden. Mithilfe von EPMA (electron probe microanalysis) Messungen konnten zudem die stoichiometrischen Zusammensetzungen verifiziert und die Primärphasen identifiziert werden. Hierfür werden die Proben mit Elektronen beschossen und angeregt. Die dabei emittierten Röntgenstrahlen sind für jedes Element charakteristisch. Die Materialen wurden im Anschluss weiter geschnitten und poliert. Im folgenden Schritt wurden die temperatur- und magnetfeldabhängigen physikalischen Eigenschaften, insbesondere der elektrische Widerstand, die spezifische Wärmekapazität und die magnetische Suszeptibilität, bestimmt. Vereinzelt wurde der elektrische Widerstand der Probenmaterialien unter dem Einfluss von äußerem hydrostatischen Druck untersucht. Hierbei konnten insgesamt fünf weitere Supraleiter ohne Inversionszentrum (SrNiSi3, SrPdSi3, SrPtSi3, HfRhGe und LaPtSi) sowie ein weiterer Supraleiter (La3Pd4Si4) mit möglicherweise zwei Energielücken von unterschiedlicher Größe identifiziert und charakterisiert werden. Die supraleitenden Sprungtemperaturen befinden sich dabei zwischen 1 K und 3.6 K. Die experimentellen Daten wurden durch theoretische Berechnungen der Bandstrukturen unterstützt und zeigen zum Teil sehr starke k abhängige Aufspaltungen der Spin-Auf als auch Spin-Ab Bänder, sowie mögliche Spin Triplet Paarungskanäle. Weitere Besonderheiten der Supraleiter ohne Inversionszentrum, wie die Unterschiede im oberen kritischen Magnetfeld (µ0Hc2) bei unterschiedlichen physikalischen Messgrößen, wurden im Zusammenhang mit der Perkolationstheorie diskutiert. Die Kompositionen ohne Inversionszentrum zeigen hierbei vorwiegend eine vollständige, knotenlose Energielücke, sowie ein s- symmetrisches, konventionelles BCS Verhalten mit vernachlässigbarem Anteil an Triplet Cooper Paaren. Mikroskopische Überprüfungen der Singlet Paarungskanäle wurden durch µSR Messungen ermöglicht. Darüber hinaus konnte die Materialklasse der EpTX3 (Ep = Sr; Ba;T = Ni; Pd; Pt;X = Si; Ge) Verbindungen vollständig in ihren physikalischen Charakteristiken analysiert werden. Bei den Seltenen-Erden-Verbindungen wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. So führt ein Austausch des La durch Ce zum möglichen Auftreten von magnetischen Phänomenen. In dieser Folge konnten interessante Effekte wie magnetische Ordnungen im Einfluss eines Kristallfeldes untersucht werden, sowie mögliches Auftreten eines Kondo Verhalten diskutiert werden.

Superconductivity describes the behavior of a material to show absolute zero electrical resistivity as well as an absolute expulsion of a small external magnetic field (µ0Hcth or µ0Hc1) below a transition temperature Tc. This is microscopically based on the condensation of two electrons to one Cooper pair. Each single Cooper pair shows a correlation to each other by a single phase. Therefore, a macroscopic wave function emerges. The exact pairing mechanisms and preconditions for the existence of superconductivity are not fully clarified, yet. Spin triplet as well as other unconventional pairing channels have attracted much interest on the topic of superconductivity to further synthesize new materials and structures, allowing superconductivity at higher temperatures. This doctoral thesis deals with superconductors lacking a center of inversion and strong correlations among Fermions. Polycrystalline and single crystalline materials were prepared by arc-melting. X-ray diffraction was used to precisely assign the samples to a certain point group without inversion center. With the help of EPMA (electron probe microanalysis) measurements, the stochiometric composition and the primary phases could be proven and verified. Samples get bombarded by electrons and become excited. The X-rays subsequently emitted are characteristic for every specific element. Afterward, the specimen were further cut and polished. Furthermore, their physical properties in dependence of temperature and external magnetic fields, especially the electrical resistivity, specific heat and magnetic susceptibility were determined. On certain samples, electrical resistivity measurements were performed while exposed to external hydrostatic pressure. Here, five new superconductors lacking a center of inversion, i.e. SrNiSi3, SrPdSi3, SrPtSi3, HfRhGe and LaPtSi, as well as a new superconductor (La3Pd4Si4) with possible two gaps, were identified and characterized. The superconducting transition temperatures are between 1 K and 3.6 K. The experimental data were supported by theoretical calculations of the band structure and partly show strong k-dependent splitting of the spin up and spin down bands and, therefore, possible spin triplet pairing channels. Further peculiarities of the non-centrosymmetric superconductors, i.e. the differences of the upper critical field (µ0Hc2) of different physical properties, were discussed in the sense of the percolation theory. Predominately, the non-centrosymmetric compositions show a nodeless, full energy gap, and an s-wave, conventional BCS behavior with a negligible contribution of triplet Cooper pairing. Microscopical analysis of the singlet paring channels were enabled by means of the µSR measurement technique. Furthermore, the material class of EpTX3 (Ep = Sr; Ba;T = Ni; Pd; Pt;X = Si; Ge) compounds could be fully examined. The rare earth compounds were further investigated. An exchange of La by Ce can lead to a formation of magnetic phenomena. Therefore, interesting effects like magnetic ordering in the presence of crystalline electric field splitting were investigated and the possible existence of Kondo behavior could be discussed.