Open Access

Sebastian Bachus

• Frustrated magnets potentially host new phase of matters such as Quantum Spin Liquids (QSL). In contrast to conventional magnets, QSL do not show magnetic ordering even at 0K, and they have been suggested to be relevant for high-temperature superconductivity or fault-tolerant quantum computing. Therefore, it is one of the central tasks in solid state physics to synthesize a material exhibiting this peculiar phase. In general, the characterization of potential QSL candidate materials is extremely challenging because it requires temperatures as close as possible to 0K. In this thesis, several promising frustrated magnets on honeycomb and triangular lattices have been investigated in a He3/He4-dilution refrigerator. Thermodynamic measurements such as specific heat, magnetic Grüneisen parameter and magnetization have been performed over a broad temperature and magnetic field range down to 40mK and up to 15T. First, this thesis focuses on four different Yb{3+} based triangular latticeFrustrated magnets potentially host new phase of matters such as Quantum Spin Liquids (QSL). In contrast to conventional magnets, QSL do not show magnetic ordering even at 0K, and they have been suggested to be relevant for high-temperature superconductivity or fault-tolerant quantum computing. Therefore, it is one of the central tasks in solid state physics to synthesize a material exhibiting this peculiar phase. In general, the characterization of potential QSL candidate materials is extremely challenging because it requires temperatures as close as possible to 0K. In this thesis, several promising frustrated magnets on honeycomb and triangular lattices have been investigated in a He3/He4-dilution refrigerator. Thermodynamic measurements such as specific heat, magnetic Grüneisen parameter and magnetization have been performed over a broad temperature and magnetic field range down to 40mK and up to 15T. First, this thesis focuses on four different Yb{3+} based triangular lattice materials (YbMgGaO4, KYbS2, NaYbO2, KBaYb(BO3)2). None of these materials undergoes a magnetic phase transition down to the lowest accessible temperature, and potentially emerging QSL phases are discussed. The field-evolution turns out to be non-trivial in several materials and is investigated in detail for comparison with theoretical predictions on triangular lattices. Furthermore, a potential application of KBaYBb(BO3)2 for adiabatic demagnetization down to the 20mK has been shown. The second central part focuses on the Kitaev magnet alpha-RuCl3 on a honeycomb lattice, which shows zigzag magnetic order in zero field. However, a potential field-induced QSL has been vividly debated in the last years. In this thesis, measurements of the field-dependent magnetic Grüneisen parameter in combination with the specific heat has been applied to identify the phase transitions in this Kitaev material. The phase boundaries and the putative existence of a QSL in the phase diagram of alpha-RuCl3 is carefully discussed.…
• In frustrierten Magneten können neuartige und exotische Phasen auftreten wie Quantenspinflüssigkeiten (Quantum Spin Liquids: QSL). Im Gegensatz zu konventionellen Magneten weisen QSL keine magnetische Ordnung auf, nicht einmal am absoluten Nullpunkt von 0K. Die Realisierung solch einer QSL in Festkörpern ist seit Jahrzehnten ein zentrales Unterfangen in der Festkörperphysik, unter anderem wegen ihrer möglichen Verbindung zu Hochtemperatursupraleitern oder fehlertoleranten Quantencomputern. Die Charakterisierung möglicher QSL Kandidaten ist extrem herausfordernd, da in der Regel Temperaturen möglichst nahe am absoluten Nullpunkt erforderlich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere vielversprechende frustrierte Magnete, bei denen die magnetischen Momente auf einem Dreiecks- bzw einem Honigwabengitter angeordnet sind, in einem He3/He4-Entmischungskryostaten untersucht. Es wurden thermodynamische Messungen wie die spezifische Wärme, magnetischer Grüneisen Parameter undIn frustrierten Magneten können neuartige und exotische Phasen auftreten wie Quantenspinflüssigkeiten (Quantum Spin Liquids: QSL). Im Gegensatz zu konventionellen Magneten weisen QSL keine magnetische Ordnung auf, nicht einmal am absoluten Nullpunkt von 0K. Die Realisierung solch einer QSL in Festkörpern ist seit Jahrzehnten ein zentrales Unterfangen in der Festkörperphysik, unter anderem wegen ihrer möglichen Verbindung zu Hochtemperatursupraleitern oder fehlertoleranten Quantencomputern. Die Charakterisierung möglicher QSL Kandidaten ist extrem herausfordernd, da in der Regel Temperaturen möglichst nahe am absoluten Nullpunkt erforderlich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden mehrere vielversprechende frustrierte Magnete, bei denen die magnetischen Momente auf einem Dreiecks- bzw einem Honigwabengitter angeordnet sind, in einem He3/He4-Entmischungskryostaten untersucht. Es wurden thermodynamische Messungen wie die spezifische Wärme, magnetischer Grüneisen Parameter und Magnetisierung in einem Temperaturbereich bis hinab zu 40mK in magnetischen Feldern bis zu 15T durchgeführt. Der Fokus liegt zunächst auf vier verschiedenen Yb{3+}-basierten Materialien auf einem Dreiecksgitter (YbMgGaO4, KYbS2, NaYbO2, KBaYb(BO3)2). Keines dieser Materialien weist einen Phasenübergang bis zu den tiefsten erreichbaren Temperaturen auf. In diesem Kontext werden potentielle QSL Phasen diskutiert. Einige der Materialien zeigen eine nicht-triviale Feldabhängigkeit, die im Detail untersucht und mit theoretischen Vorhersagen für zweidimensionale Dreiecksgitter verglichen wird. Zudem wird die mögliche Anwendung von KBaYb(BO3)2 im Bereich der adiabatischen Demagnetisierung bis hinab zu 20mK gezeigt. Der zweite Teil der Arbeit handelt vom Kitaev Magneten alpha-RuCl3 mit einem Honigwabengitter, der im Nullfeld einen magnetischen Phasenübergang zu einer geordneten Phase aufweist und somit keine QSL ist. Dennoch wurde in den letzten Jahren lebhafte Diskussionen über eine mögliche feldinduzierte QSL Phase in alpha-RuCl3 geführt. In der vorliegenden Arbeit werden Messungen des magnetischen Grüneisen Parameters an alpha-RuCl3 in Kombination mit der spezifischen Wärme präsentiert, um mögliche feldinduzierte Phasenübergänge zu identifizieren. Die Phasengrenzen sowie die vermeintliche Existenz einer QSL Phase im Phasendiagramm werden sorgfältig diskutiert.…