Spin dynamics in Kondo lattices at low temperatures and frequencies
Final Report Abstract
Quantenkritikalität in Schwere-Fermionen-Metallen kann Materialzustände mit unkonventionellen Eigenschaften hervorbringen. Hierbei nimmt YbRh2Si2 eine Sonderstellung ein, da es ein deutliches Elektronenspinresonanz(ESR)-Signal aufweist und somit die Rolle von intrinsischen magnetischen Momenten, die Grundlage für die gesamte Schwere-Fermionen-Physik ist, mittels ESR direkt untersucht werden kann. Die Bereiche des Phasendiagramms von YbRb2Si2 in der Nähe des quantenkritischen Punktes sind aber aufgrund ihrer niedrigen Temperatur- und Magnetfeldregimes nicht mit konventionellen ESR-Methoden zugänglich. Deshalb haben wir in diesem Projekt eine neue ESR-Methode auf Basis von supraleitenden Koplanarresonatoren für YbRh2Si2 optimiert und angewendet. Derartige Resonatoren können bei mK-Temperaturen eingesetzt und bei einer Vielzahl von Resonanzfrequenzen betrieben werden, so dass wir das vielfältige Phasendiagramm von YbRh2Si2 mittels ESR studieren konnten. Dabei haben wir im quantenkritischen Regime mit sinkender Temperatur eine sehr starke Abnahme von g-Faktor und ESR-Linienbreite beobachtet, die weit über den entsprechenden Effekt bei höheren Temperaturen hinausgeht. Auch konnten wir erstmals ESR- Messungen tief im Fermi-Flüssigkeitsregime von YbRh2Si2 durchführen und fanden hier eine starke Magnetfeldabhängigkeit. In der antiferromagnetischen Phase fanden wir eine deutlich verbreiterte ESR-Linie, wie es für magnetisch geordnete Zustände üblich ist. Technische Weiterentwicklungen im Rahmen dieses Projektes betreffen einerseits die Resonatoren selbst. Supraleitende Nb-Resonatoren besitzen dank hoher Güte eine sehr gute Empfindlichkeit bei der ESR-Detektion und prinzipiell auch eine hohe Auflösung bei der Bestimmung des ESR-Resonanzfeldes. Da diese Resonatoren wegen der Vortexdynamik in Typ-II-Supraleitern aber selbst eine starke und komplexe Magnetfeldabhängigkeit aufweisen, ist uns die quantitative Auswertung des ESR-Signals nur mit aufwendigen Analysen der resonatorbedingten Magnetfeldabhängigkeit gelungen. Deshalb haben wir als Alternative metallische Resonatoren untersucht, die zwar eine deutlich schlechtere Güte aufweisen, aber nur eine sehr geringe eigene Magnetfeldabhängigkeit. Ein anderer Aspekt betrifft winkelabhängige Untersuchungen. Um diese mit den planaren supraleitenden Resonatoren zu ermöglichen, haben wir die jeweilige, dicht oberhalb des Resonator montierte YbRh2Si2-Probe mittels eines Tieftemperaturrotators gedreht. Hierbei hat sich die Kombination mehrerer experimenteller Herausforderungen (große, ebene Probenoberfläche in ac-Kristallebene, sehr niedrige Temperaturen und sehr geringe Magnetfelder) als große Hürde gezeigt. In diesem Projekt konnten wir somit einerseits die Leistungsfähigkeit von supraleitenden und metallischen Koplanarresonatoren für ESR-Spektroskopie nachweisen, bei der zahlreiche Resonanzfrequenzen gleichzeitig verwendet werden können und mK-Temperaturen in Kombination mit einem breiten Magnetfeldbereich zugänglich sind. Außerdem haben wir für YbRh2Si2 nachgewiesen, dass sich die verschiedenen Bereiche des quantenkritischen Phasendiagramms mit deutlichen Signaturen in der ESR widerspiegeln. Dadurch zeigt sich YbRh2Si2 auch für ESR als ideales Testmaterial sowohl für fundamentale Fragestellungen im neuen Parameterbereich sehr niedriger Temperaturen als auch für konkrete Modelle für Quantenkritikalität.
Publications
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Observing electron spin resonance between 0.1 and 67 GHz at temperatures between 50 mK and 300 K using broadband metallic coplanar waveguides. Appl. Phys. Lett. 106, 193505 (2015)
Yvonne Wiemann, Julian Simmendinger, Conrad Clauss, Lapo Bogani, Daniel Bothner, Dieter Koelle, Reinhold Kleiner, Martin Dressel, Marc Scheffler
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On-Chip ESR Measurements of DPPH at mK Temperatures. Physics Procedia 75, 503 (2015)
Wolfgang Voesch, Markus Thiemann, Daniel Bothner, Martin Dressel, Marc Scheffler
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Optimization of Coplanar Waveguide Resonators for ESR Studies on Metals. J. Phys.: Conf. Ser. 592, 012146 (2015)
Conrad Clauss, 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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Metallic coplanar resonators optimized for low-temperature measurements. J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 395501 (2016)
Mojtaba Javaheri Rahim, Thomas Lehleiter, Daniel Bothner, Cornelius Krellner, Dieter Koelle, Reinhold Kleiner, Martin Dressel, 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
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Angle-dependent electron spin resonance of YbRh2Si2 measured with planar microwave resonators and in-situ rotation. Physica B 536, 331 (2018)
Linda Bondorf, Manfred Beutel, Markus Thiemann, Martin Dressel, Daniel Bothner, Jörg Sichelschmidt, Kristin Kliemt, Cornelius Krellner, Marc Scheffler
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Superconducting coplanar microwave resonators with operating frequencies up to 50 GHz. J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 465301 (2018)
Desirée S. Rausch, Markus Thiemann, Martin Dressel, Daniel Bothner, Dieter Koelle, Reinhold Kleiner, Marc Scheffler
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Cryogenic frequency-domain electron spin resonance spectrometer based on coplanar waveguides and field modulation. Rev. Sci. Instrum. 91, 025106 (2020)
Björn Miksch, Martin Dressel, Marc Scheffler
