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Institutsleitung
Prof. Dr. Matthieu Le Tacon
Adresse
Karlsruher Institut für Technologie
 Institut für  Festkörperphysik
 Hermann-v.-Helmholtz-Platz 1
 D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Postadresse
Karlsruher Institut für Technologie
 Institut für Festkörperphysik
 Postfach 3640
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Telefon0721608-26751
Fax  0721608-24624
E-mail Carmen DoerflingerUhz8∂kit edu

Neue Materialien, Transport, Thermodynamik und Mesoskopie

Leiter: Dr. Christoph Meingast

Wir untersuchen die thermodynamischen and Transport-Eigenschaften von Festkörpersystemen mit starken elektronischen Korrelationen. Daneben untersuchen wir auch den elektrischen Transport in Nanostrukturen.

Unsere thermodynamischen Untersuchungen beruhen zu einem großen Teil auf hochwertigen Einkristallproben, die an unserem Institut hergestellt werden. Unser Hauptinteresse gilt unkonventioneller Supraleitung, quantenkritischen Phänomenen, Magnetismus, Einzelladungs-Schaltungen und extrem kleinen Josephson-Kontakten. Unsere Messungen beruhen auf hochauflösender Kapazitätsdilatometrie, Kalorimetrie, Magnetometrie und modernsten Transportmessmethoden, die in einem weiten Temperaturbereich (10 mK - 500 K) und Magnetfeldern bis zu 14 Tesla durchgeführt werden können.

Fe-basierte Supraleiter

Supraleitung tritt in Fe-basierten Verbindungen stets im Umfeld eines magnetischen/strukturellen Phasenübergangs auf, was die Vermutung nahelegt, dass magnetische/strukturelle Fluktuationen für die Cooperpaar-Bildung von großer Wichtigkeit sind. Die nematische Suszeptibilität, d.h. die Suszeptibilität der elektronischen Ordnung, die auf die strukturelle Umwandlung hinwirkt, kann als gutes Maß für solche Fluktuationen angesehen werden. Als experimenteller Zugang zu dieser physikalischen Größe in Ba1-xKxFe2As2 und Ba(Fe1-xCox)2As2 wurde eine neue Experimentiertechnik entwickelt, bei der der Schermodul mittels einer Drei-Punkt-Biege-Apparatur in einem Kapazitätsdilatometer gemessen wird. Obwohl die nematischen Fluktuationen durch die Substitution von Ba durch K bzw. von Fe durch Co abgeschwächt werden, erstrecken sie sich doch in beiden Materialsystemen über den gesamten Phasenbereichder Supraleitung, was einen direkten Zusammenhang zwischen nematischen Fluktuationen und Supraleitung nahelegt. Evidenz für quantenkritisches Verhalten der nematischen Suszeptibilität findet sich überraschenderweise jedoch nur für das elektronendotierte Ba(Fe1-xCox)2As2, da in Ba1-xKxFe2As2 der Phasenübergang erster Ordnung ist. In der tetragonalen Phase dieses Fe-basierten Supraleiter-Systems deutet eine Skalenbeziehung zwischen Kernresonanz- (NMR) und Schermodul-Daten auf einen magnetisch gesteuerten strukturellen Phasenübergang hin.

Nematische Suszeptibilität von loch- und elektrondotierten BaFe2As2-Supraleitern als Funktion der Substitutionskonzentration und der Temperatur


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Nematic susceptibility of hole- and electron-doped BaFe2As2 iron-based superconductors
    A.E. Böhmer, P. Burger, F. Hardy, T. Wolf, P. Schweiss, R. Fromknecht, M. Reinecker, W. Schranz, C. Meingast
    Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 47001.
  • Scaling between magnetic and lattice fluctuations in iron-pnictide superconductors
    R. M. Fernandes, A. E. Böhmer, C. Meingast, J. Schmalian
    Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 137001.
  • Doping Evolution of Superconducting Gaps and Electronic Densities of States
    in Ba(Fe1-xCox)2As2 Iron Pnictides

    F. Hardy, P. Burger, T. Wolf, R.A. Fisher, P. Schweiss, P. Adelmann, R. Heid, R. Fromknecht, R. Eder, D. Ernst, H. v. Löhneysen, C. Meingast
    Europhys. Lett. 91 (2010) 47008.
  • Pressure versus Concentration Tuning of the Superconductivity in Ba(Fe1-xCox)2As2
    S. Drotziger, P. Schweiss, K. Grube, T. Wolf, P. Adelmann, C. Meingast, H. v. Löhneysen
    J. Phys. Soc. Jpn. 79 (2010) 124705.

Schwer-Fermion-Verbindungen

Magnetische Phasenübergänge, die durch einen nichtthermischen Kontrollparameter kontinuierlich auf eine Übergangstemperatur T=0 getrieben werden können, sogenannte quantenkritische Punkte (QCPs), haben in den letzten Jahren beträchtliches Interesse erregt, da die Standardvorhersagen der Fermi-Flüssigkeits-Theorie hier nicht mehr erfüllt sind und oft neue Phasen in der Umgebung eines QCP auftreten. Das Schwer-Fermion-System CeCoIn5 gehört zu einer Familie von Verbindungen, bei denen unkonventionelle Supraleitung im Umfeld von antiferromagnetischer Ordnung auftritt. Die Bestimmung der genauen Lage dieses QCP wird durch das Auftreten von Supraleitung in diesem Phasenbereich erschwert. Unsere Messungen der thermischen Ausdehnung und der Magnetostriktion von CeCoIn5-Einkristallen weisen darauf hin, dass die deutlichen Abweichungen vom Fermi-Flüssigkeits-Verhalten ihren Ursprung in einer Magnetfeld- und Druck-abhängigen quantenkritischen Linie - der antiferromagnetischen Phasengrenze bei verschwindender Temperatur - haben, die von der Supraleitung verdeckt wird. Wir konnten ein dreidimensionales Phasendiagramm als Funktion des Drucks und der Dotierung ableiten, in dem diese Phasengrenze sichtbar wird. Dabei wird angenommen, dass die Substitution zu einem negativen chemischen Druck führt (S. Nair et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107 (2010) 9537)

(p,B,T)-Phasendiagramm von CeCoIn5 (AF: Antiferromagnetische Phase, SC: Supraleitende Phase, QC: Quantenkritische Linie in der (B,p)-Ebene bei T=0, die bei kleinen Magnetfeldern wegen des Eintretens der Supraleitung nicht beobachtet werden kann)


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Towards the Identification of a Quantum Critical Line in the (p,B) Phase Diagram of CeCoIn5 with Thermal-Expansion Measurements
    S. Zaum, K. Grube, R. Schäfer, E.D. Bauer, J.D. Thompson, H. v. Löhneysen
    Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 87003.
  • Evolution of the magnetic structure in CeCu5.5Au0.5 under pressure towards quantum criticality
    A. Hamann, O. Stockert, V. Fritsch, K. Grube, A. Schneidewind, H.v. Löhneysen
    Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 96404.
  • Hidden Low-Temperature Instability in PrOs4Sb12
    K. Grube, S. Zaum, E.D. Bauer, M.B. Maple, H. v. Löhneysen
    Phys. Status Solidi B 247 (2010) 571.

Elektronischer Transport in nomalleitenden und supraleitenden Nanostrukturen

Wir stellen Einzelladungsschaltungen her und untersuchen diese im nomalleitenden und supraleitenden Zustand bei Messtemperaturen bis herab zu < 10 mK. Supraleitende Tunnelkontakte (Josephson-Kontakte) führen einen Suprastrom, wenn die Phase der makroskopischen Wellenfunktion des supraleitenden Zustands zu beiden Seiten des Kontakts geeignet justiert wird. Da eine solche Festlegung der Phase aufgrund der Quantenmechanik eine Festlegung der Ladung ausschließt, ergibt sich bei mesoskopischen Josephson-Kontakt-Schaltungen ein komplexes Transportverhalten, das wir im Detail untersuchen.

Oben: Elektronenmikroskopie-Aufnahmen einer aus Aluminium-Inseln aufgebauten Kette von Josephson-Kontakten. Die eigentlichen Josephson-Kontakte bilden sich im Überlappungs-bereich der 'Knochenenden", die in der rechts gezeigten Detailaufnahme zu erkennen sind. Unten: Strom durch eine solche Kette von 256 mesoskopischen Josephson-Kontakten bei 0.01 K als Funktion der Spannung und des Magnetfelds.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Josephson vortex coupled to a flux qubit
    K. G. Fedorov, A. V. Shcherbakova, R. Schäfer, A. V. Ustinov
    Appl. Phys. Lett. 102 (2013) 132602.
  • Aluminum Hard Mask Technique for the Fabrication of High Quality Submicron Nb/Al-AlOx/Nb Josephson Junctions
    Ch. Kaiser, J.M. Meckbach, K.S. Ilin, J. Lisenfeld, R. Schäfer, A.V. Ustinov, M. Siegel
    Supercond. Sci. Technol. 24 (2011) 35005.
  • Two-dimensional simulations of temperature and current-density distribution in electromigrated structures
    B. Kießig, H. v. Löhneysen, R. Schäfer
    New J. Phys. 16 (2014) 13017.
  • Thermally activated conductance in arrays of small Josephson junctions
    J. Zimmer, N. Vogt, A. Fiebig, S. V. Syzranov, A. Lukashenko, R. Schäfer, H. Rotzinger, A. Shnirman, M. Marthaler, A. V. Ustinov
    Phys. Rev. B 88 (2013) 144506.

Kristallzüchtung

Für die Präparation von einkristallinen oder auch polykristallinen Proben benutzen wir verschiedene Verfahren. Einkristalle werden meist aus der Schmelze oder Schmelzlösung-, aber auch aus der Dampfphase gezüchtet. Nach der Züchtung erfolgt eine umfangreiche Charakterisierung der Kristalle, um die Züchtungsparameter zu optimieren und so deren Qualität gezielt zu verbessern. Falls erforderlich können auch Kristalle mit einer gezielten Fremstoffdotierung gezüchtet werden.

Zur Probenherstellung stehen Kammeröfen, von oben beladbare Öfen und Rohröfen zur Verfügung, die bei Arbeitstemperaturen bis zu 1800 °C betrieben werden können, ferner auch Czochralski-, Drei-Zonen-, Induktions-, Lichtbogen-, Spiegel- und Autoklav-Öfen.

Supraleitende und damit verwandte Materialien:
TiN, ZrN, HfN, TiC, YBa2Cu3Ox und Derivate z.B. durch Ersetzen von Y durch (La-Lu), BaCuO2, Ba2CuO3, CuO, (Nd1-xCex)2CuO4, (Gd1-xNdx)2CuO4, BaFe2As2, SrFe2As2, CaFe2As2, KFe2As2, RbFe2As2, CsFe2As2, KxFe2Se2, FeAs, FeSe, FeTe, FeTe2, FeI2, MgB2, AlB2, (Ca/Sr)CuO2, Ca(Al0.5Si0.5)2, NbSe2.
Schwere-Fermion-Verbindungen und Vergleichsmaterialien:
YbNiSi3, YbNiGe3, YbPdSn, LaCu6, CeCu6-xAux,YbB2, YbB4, YbAlB4, CrB2, Cr2B3, CrAlB4.
Übergangsmetalloxide und -verbindungen:
BaNi2V2O8, BaNi2-xMgxV2O8, Ni3V2O8, Co3V2O8, MnSi (Al, Co, Fe), Ba2V3O9, Ba2V2O7, Ba3V4O13, Cs2CuCl4, Ti4O7, Zn4Sb3, YBaCo4O7, La2Mo2O9, Co3TeO6.

Einkristalle der Fe-basierten SupraleiterBaFe2As2 und FeSe.

Aus dem Sn-Fluss (links) und mit dem Bridgman-Verfahren gezüchtete Kristalle (rechts).


Ausgewählte Veröffentlichungen


Mitarbeiter (in alphabetischer Reihenfolge)


Frühere Mitarbeiter

Dr. Samira Barakat, Thomas Brugger, Bernd Burbulla, Dr. Philipp Burger, Dr. Georg Burkhart, Dr. May Chiao, Dr. Wanyin Cui, Prof. Dr. Gordon Czjzek, Dr. Stefanie Drobnik, Dr. Sandra Drotziger, Dipl.-Phys. Felix Eilers, Doris Ernst, Dr. Erxi Feng, Andreas Fiebig, Dr. Rainer Fromknecht, Dr. Chien-Lung Huang, Dr. Devang Joshi, Dr. Heinz Küpfer, Steffen Kaus, Dr. Birgit Kiessig, Dr. William Knafo, Dr. Bernhard Limbach, Prof. Dr. Rolf Lortz, Dr. Nata Matskevich, Dr. Peter Nagel, Dr. Volker Pasler, Dr. Paul Popovich, Prof. Dr. Mark E. Reeves, Dr. Burkhard Renker, Dr. Peter Schweiss, Anastasia Shcherbakova, Dr. Tatjana Skipa, Prof. Dr. Alexander Soldatov, Dr. Anke Sypli, Dr. Peter vom Stein, Dr. V. Voronkova, Dr. Christoph Wallisser, Dr. Liran Wang, Thomas Woisczyk, Dr. Thomas Wolf, Prof. Dr. I. K. Yanson, Dr. Sebastian Zaum, Dr. Qin Zhang, et al.