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Jannis Maiwald

• The investigation of the highly anisotropic symmetry-breaking ground state of the iron pnictides is deemed crucial for the understanding of the physics of the Fe-based superconductors and perhaps superconductivity itself. However, the investigation of this ground state is obstructed by the formation of micrometer-sized transformation twins in the orthorhombic state, which obscures the in-plane anisotropy observed in this fascinating ground state. In this thesis, I show how EuFe2As2, which is part of the 122-family of the iron pnictides, can be detwinned at low temperatures upon application of a miniscule in-plane magnetic field of the order of only 0.1 T, which is at least two orders of magnitude smaller than what is needed in other Fe-based superconductors. Furthermore, the effect is persistent upon removal of the field and even subsequent heating to the structural transition temperature at 190 K. Therefore, this effect can be used for the strain-free detwinning of this material andThe investigation of the highly anisotropic symmetry-breaking ground state of the iron pnictides is deemed crucial for the understanding of the physics of the Fe-based superconductors and perhaps superconductivity itself. However, the investigation of this ground state is obstructed by the formation of micrometer-sized transformation twins in the orthorhombic state, which obscures the in-plane anisotropy observed in this fascinating ground state. In this thesis, I show how EuFe2As2, which is part of the 122-family of the iron pnictides, can be detwinned at low temperatures upon application of a miniscule in-plane magnetic field of the order of only 0.1 T, which is at least two orders of magnitude smaller than what is needed in other Fe-based superconductors. Furthermore, the effect is persistent upon removal of the field and even subsequent heating to the structural transition temperature at 190 K. Therefore, this effect can be used for the strain-free detwinning of this material and subsequent investigation of the in-plane anisotropy. An investigation by means of various field-dependent measurements, such as magnetostriction, magnetoresistance and a probe with neutrons reveal that a multistage magnetic detwinning effect occurs at low temperatures in this compound, in which the internal crystal structure changes up to three times with increasing field: first with the shorter b-axes in field direction H around 0.1 T, then with the longer a-axis || H around 1 T and finally back to the configuration with b|| H above 12 T. I explain the observed behavior quantitatively by introducing a new microscopic theory that is based on a biquadratic coupling between the magnetic Eu and Fe subsystem. The theory allows for the determination of important constants, such as the biquadratic coupling K, the out-of-plane coupling constant J⊥ between Eu moments, as well as the energy barrier Δ associated with changing from one twin domain to another. This is followed by a brief investigation of the evolution of the multistage magnetic detwinning effect with various chemical substitutions, in particular magnetic dilution of the Eu-4f and Fe-3d moments by non-magnetic Ba and Ru atoms, respectively. In all investigated doping series the signatures of the multistage magnetic detwinning reduce. However, the degree of the detwinning can be remarkably stable, as measurements e.g. on 50% diluted BaxEu1-xFe2As2 reveal. This thesis covers a broad range of activities: from single crystal growth and their characterization, over experimental investigation by various measurement techniques, as well as theoretical modeling.…
• Die Untersuchung des stark anisotropen symmetriebrechenden Grundzustands der Eisenpniktide wird als ausschlaggebend für das Verständnis der Physik Fe-basierter Supraleiter und eventuell der Supraleitung selbst erachtet. Die Erforschung dieses faszinierenden Grundzustands wird allerdings durch die Bildung von mikrometergroßen Transformationszwillingen in der orthorhombischen Phase, welche die anisotropen Eigenschaften verdecken, behindert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie EuFe2As2, welches zur 122-Familie der Eisenpniktide gehört, bei tiefen Temperaturen in einem winzigen Magnetfeld von etwa 0,1 T entzwillingt werden kann. Das benötigte Feld ist damit mindestens zwei Größenordnungen kleiner als in anderen Fe-basierten Supraleitern. Des Weiteren, bleibt die feldinduzierte Änderung struktureller Domänen bestehen, wenn das Magnetfeld vollständig entfernt und sogar wenn das System anschließend bis zum strukturellen Übergang bei 190 K erwärmt wird. Damit eignet sich dieserDie Untersuchung des stark anisotropen symmetriebrechenden Grundzustands der Eisenpniktide wird als ausschlaggebend für das Verständnis der Physik Fe-basierter Supraleiter und eventuell der Supraleitung selbst erachtet. Die Erforschung dieses faszinierenden Grundzustands wird allerdings durch die Bildung von mikrometergroßen Transformationszwillingen in der orthorhombischen Phase, welche die anisotropen Eigenschaften verdecken, behindert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie EuFe2As2, welches zur 122-Familie der Eisenpniktide gehört, bei tiefen Temperaturen in einem winzigen Magnetfeld von etwa 0,1 T entzwillingt werden kann. Das benötigte Feld ist damit mindestens zwei Größenordnungen kleiner als in anderen Fe-basierten Supraleitern. Des Weiteren, bleibt die feldinduzierte Änderung struktureller Domänen bestehen, wenn das Magnetfeld vollständig entfernt und sogar wenn das System anschließend bis zum strukturellen Übergang bei 190 K erwärmt wird. Damit eignet sich dieser feldgetriebene Mechanismus sehr gut, um dieses Material einfach und spannungsfrei zu entzwillingen und anschließend die Anisotropie in den Eisenebenen zu untersuchen. Eine darauf folgende Untersuchung mittels magnetfeldabgängiger Messgrößen, wie Magnetostriktion, Magnetwiderstand, sowie einer Untersuchung mit Neutronenstreuung zeigt auf, dass die feldinduzierte Entzwilligung bei tiefen Temperaturen in diesem Material in mehreren Stufen auftritt. Hierbei richtet sich die magnetisch leichte a-Achse bis zu dreimal im anwachsenden Magnetfeld aus: zuerst, ab etwa 0,1 T, senkrecht zur Feldrichtung H, dann parallel zu H bei etwa 1 T und schließlich wieder zurück zur anfänglichen Ausrichtung mit a ⊥ H oberhalb von 12 T. Die beobachtete mehrstufige Feldentzwilligung wird vollständig und quantitativ durch Einführung einer neuen mikroskopischen Theorie beschrieben, die auf einer biquadratischen Kopplung zwischen den Eu- und Fe-Momenten beruht. Mit ihrer Hilfe werden wichtige Konstanten aus den Experimenten bestimmt. Dies sind die biquadratische Kopplung K, die Kopplung zwischen den Eu-Ebenen J ⊥, sowie die Energiebarriere Δ, welche mit der Änderung der Domänenzustände verknüpft ist. Abschließend wird die beobachtete Änderung des magnetischen Entzwilligungseffekts mit verschiedenen chemischen Dotierungen diskutiert, im Speziellen die magnetische Verdünnung der Eu-4f und Fe-3d Momente mit nichtmagnetischen Ba-, bzw. Ru-Atomen. In allen untersuchten Dotierungsreihen werden die Signaturen der mehrstufigen feldinduzierten Entzwilligung mit steigender Dotierung schwächer. Allerdings kann der Grad der Entzwilligung durchaus bemerkenswert stabil sein, wie z.B. Messungen am 50% verdünnten BaxEu1-xFe2As2-System zeigen. Die vorliegende Dissertation basiert auf vielfältigen Untersuchungsmethoden von der Einkristallzucht und anschließender Charakterisierung, über experimentelle Untersuchung mittels verschiedener Messtechniken, bis hin zur theoretischen Modellierung.…