Ladungsträgerdynamik schwerer Fermionen an Quantenphasenübergängen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Quantenkritikalität in Schwere-Fermionen-Metallen ist ein Paradebeispiel dafür, wie Wechselwirkungen zwischen Elektronen zu neuen Materialeigenschaften führen können, die mit konventionellen Theorien, etwa im Falle von Metallen insbesondere Landaus Theorie der Fermi-Flüssigkeiten, nicht erklärt werden können. Eine ganze Reihe quantenkritischer Schwere-Fermionen-Materialien wurde bereits intensiv mit thermodynamischen, magnetischen und Transportuntersuchungen charakterisiert, aber die Dynamik dieser ungewöhnlichen Ladungsträger konnte bisher kaum im Kontext von Quantenkritikalität diskutiert werden, da entsprechende „optische“ Experimente extrem niedrige Frequenzen und Temperaturen erfordern, die mit konventionellen Spektrometern nicht erreichbar sind. Deshalb haben wir in diesem Projekt eine neue Messmethode entwickelt, die elektrodynamische Untersuchungen an metallischen Einkristallen bei Temperaturen unterhalb von 1 K und bei entsprechend niedrigen Frequenzen (GHz-Bereich) ermöglicht. Konkret nutzen wir dabei supraleitende Streifenleitungsresonatoren, die wir bei einer Grundfrequenz von ca. 1 GHz und bei zahlreichen höheren Harmonischen betreiben, so dass wir bei einer einzigen Messung sowohl die für supraleitende Resonatoren typische gute Empfindlichkeit als auch mehrere Frequenzen gleichzeitig nutzen können. Über die Untersuchung metallischer schwerer Fermionen hinaus haben wir diese neue Messmethode auch für zuvor experimentell nicht mögliche Studien an Supraleitern mit sehr niedrigen Sprungtemperaturen einsetzen können, etwa dem konventionellen BCS-Supraleiter Titan, dem Schwere-Fermionen-Supraleiter CeCu2Si2 und an Nb-dotiertem SrTiO3. Als Beispiel für ein Schwere-Fermionen-Material, das Fermi-Flüssigkeits-Verhalten aufweist und als Referenz für verwandtes quantenkritisches Verhalten dient, haben wir die Mikrowelleneigenschaften von CeCu6 untersucht. Überraschenderweise zeigte der Oberflächenwiderstand hier eine Frequenzabhängigkeit, wie man sie für ein konventionelles Metall im anomalen Skin-Effekt erwartet, die wir hier aber als Anzeichen für eine durch elektronische Wechselwirkungen verursachte frequenzabhängige Streurate interpretieren. Für YbRh2Si2, das bei mK-Temperaturen ein charakteristisches Phasendiagramm als Funktion von Magnetfeld und Temperatur mit einem quantenkritischen Punkt aufweist, konnten wir im Mikrowellenverhalten teils überraschend starke Signaturen der Phasenübergänge nachweisen. Leider ist es uns bei diesen Messungen an CeCu6 und YbRh2Si2 bisher nicht gelungen, aus den gemessenen Mikrowellendaten Absolutwerte für die optische Leitfähigkeit der Probe zu bestimmen. Grund hierfür ist ein grundlegendes messtechnisches Problem, das in vielen Resonatormessungen auftritt. Um die Elektrodynamik quantenkritischer Metalle auch bei etwas höheren Frequenzen zu untersuchen, haben wir THz-Transmissionsmessungen an Dünnfilmen des Schwere-Fermionen-Systems CeCoIn5 sowie an Sr1-xCaxRuO3 durchgeführt. Dank exzellenter Probenqualität konnten wir hierbei für CeCoIn5 und CaRuO3 aus den THz-Daten die Streurate und die effektive Masse als Funktion von Frequenz und Temperatur extrahieren und damit den Einfluss von Quantenkritikalität für die optischen Eigenschaften charakterisieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Microwave spectroscopy on heavy-fermion systems: Probing the dynamics of charges and magnetic moments. Phys. Status Solidi B 250, 439 (2013)
Marc Scheffler, Katrin Schlegel, Conrad Clauss, Daniel Hafner, Christian Fella, Martin Dressel, Martin Jourdan, Jörg Sichelschmidt, Cornelius Krellner, Christoph Geibel, Frank Steglich
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Terahertz Conductivity of the Heavy-Fermion State in CeCoIn5. J. Phys. Soc. Jpn. 82, 043712 (2013)
Marc Scheffler, Thomas Weig, Martin Dressel, Hiroaki Shishido, Yuta Mizukami, Takahito Terashima, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda
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Anomalous Microwave Surface Resistance of CeCu6. JPS Conf. Proc. 3, 012016 (2014)
Daniel Hafner, Martin Dressel, Oliver Stockert, Kai Grube, Hilbert v. Löhneysen, Marc Scheffler
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Low-Energy Electronic Properties of Clean CaRuO3: Elusive Landau Quasiparticles. Phys. Rev. Lett. 112, 206403 (2014)
M. Schneider, D. Geiger, S. Esser, U. S. Pracht, C. Stingl, Y. Tokiwa, V. Moshnyaga, I. Sheikin, J. Mravlje, M. Scheffler, P. Gegenwart
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Surface-resistance measurements using superconducting stripline resonators. Rev. Sci. Instrum. 85, 014702 (2014)
Daniel Hafner, Martin Dressel, Marc Scheffler
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Signatures of Phase Transitions in the Microwave Response of YbRh2Si2. Physics Procedia 75, 340 (2015)
Katja Parkkinen, Martin Dressel, Kristin Kliemt, Cornelius Krellner, Christoph Geibel, Frank Steglich, Marc Scheffler
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Charge carrier dynamics of the heavy-fermion metal CeCoIn5 probed by THz spectroscopy. J. Magn. Magn. Mater. 400, 31 (2016)
Uwe S. Pracht, Julian Simmendinger, Martin Dressel, Ryota Endo, Tatsuya Watashige, Yousuke Hanaoka, Masaaki Shimozawa, Takahito Terashima, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda, Marc Scheffler
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Superconducting Pb stripline resonators in parallel magnetic field and their application for microwave spectroscopy. Supercond. Sci. Technol. 29, 115004 (2016)
Nikolaj G. Ebensperger, Markus Thiemann, Martin Dressel, Marc Scheffler
