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Zusammenfassung
  • Eisenbasierte Supraleiter zeichnen sich durch ein komplexes Phasendiagramm aus, in dem strukturelle, magnetische und supraleitende Ordnung eng miteinander verknüpft sind. Bei niedrigen Dotierungen tritt zunächst die nematische Phase auf, die durch eine spontane Brechung der C4-Symmetrie des Kristallgitters gekennzeichnet ist. Bereits oberhalb der Übergangstemperatur entstehen dabei nematische Fluktuationen, die als Schlüsselgröße dieser Materialklasse gelten und möglicherweise direkt mit dem Mechanismus der Cooper-Paarbildung verknüpft sind. In einem mittleren Dotierungsbereich schließt sich die supraleitende Phase an, deren Eigenschaften stark durch die Kopplung an magnetische und nematische Fluktuationen beeinflusst werden. Bei hohen Dotierungen gewinnt schließlich die orbitalselektive Mott-Physik an Bedeutung, da sich die elektronische Struktur der Eisen-3d-Orbitale zunehmend dem halbgefüllten 3d^5-Zustand annähert, in dem theoretisch ein Mott-isolierender Zustand erwartet wird. Elastowiderstandsmessungen haben sich als besonders vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung dieser Systeme erwiesen, da sie sowohl sensitiv auf nematische Fluktuationen reagieren als auch empfindlich für elektronische Korrelationen sind. \\Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit systematische Elastowiderstandsmessungen, also Widerstandsmessungen in Abhängigkeit einer angelegten Dehnung, an einer Serie von Ba1-xKxFe2As2-Kristallen mit 0.68<x<0.98 durchgeführt, um das Zusammenspiel beider Effekte im stark lochdotierten Bereich detailliert zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass im hochdotierten Bereich elektronische Korrelationen mit Schwerpunkt im dxy-Orbital dominieren, während im schwach dotierten Bereich nematische Fluktuationen vorherrschen, die sich auch bei hoher Dotierung noch in schwacher Form nachweisen lassen. Theoretische Berechnungen auf Basis eines Fünf-Orbital-Modells mit lokaler Wechselwirkung reproduzieren das beobachtete Verhalten qualitativ und deuten auf einen orbitalselektiven Effekt starker elektronischer Korrelationen hin. Weiterhin weisen Koinzidenzen im Verhalten des Sommerfeldkoeffizienten, der supraleitenden Sprungtemperatur und des supraleitenden Ordnungsparameters darauf hin, dass elektronische Korrelationen in diesen Materialien für die Supraleitung von großer Bedeutung sind.\\Wie die Untersuchung der eisenbasierten Supraleiter zeigt, ist eine mechanische Dehnung ein vielseitiges Mittel, um die elektronischen Eigenschaften von Materialien zu modulieren und diese zu untersuchen. Ausgehend von dieser Motivation wurde im zweiten Teil der Arbeit eine Dehnungszelle entwickelt, die eine große, in situ einstellbare Dehnung über einen weiten Temperaturbereich ermöglicht. Um Messungen in einem möglichst großen Temperaturbereich zu ermöglichen, wurde ein zusätzlicher Messstab entwickelt, der durch den Einsatz von flüssigem Helium als Kühlmittel und einem integrierten Heizbecher eine präzise Temperaturregelung von 4.2K bis Raumtemperatur erlaubt. Erste Testmessungen des Elastowiderstands an BaFe2As2 bestätigen eine zuverlässige Dehnungsübertragung und -messung sowie eine gute Übereinstimmung mit dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Probe direkt auf einen Piezoaktuator geklebt wird. Darüber hinaus eröffnet die entwickelte Dehnungszelle neue Perspektiven für weiterführende Untersuchungen, etwa zum elastokalorischen Effekt oder zu temperaturabhängigen Transportuntersuchungen unter konstanter mechanischer Dehnung.
Abstract
  • Iron based superconductors are characterized by a complex phase diagram in which structural, magnetic and superconducting order are closely intertwined. At low doping the nematic phase appears first, which is marked by a spontaneous breaking of the C4 symmetry of the crystal lattice. Already above the transition temperature nematic fluctuations emerge, which are considered a key feature of this material class and may be directly connected to the mechanism of Cooper pair formation. In an intermediate doping range the superconducting phase follows, whose properties are strongly influenced by the coupling to magnetic and nematic fluctuations. At high doping orbital-selective Mott physics becomes increasingly important, since the electronic structure of the iron 3d orbitals gradually approaches the half filled 3d^5 configuration where a Mott insulating state is theoretically expected. Elastoresistance measurements have proven to be a particularly versatile tool to study these systems, as they are sensitive both to nematic fluctuations and to electronic correlations.Against this background, systematic elastoresistance measurements were carried out on a series of Ba1-xKxFe2As2 crystals, meaning resistance measurements as a function of externally applied strain, with 0.68 < x < 0.98 in order to investigate in detail the interplay of both effects in the strongly hole doped regime. The results show that in the highly doped regime electronic correlations with a strong contribution from the dxy orbital dominate, while in the weakly doped regime nematic fluctuations prevail which can still be detected in weaker form even at high doping. Theoretical calculations based on a five-orbital model with local interactions reproduce the observed behavior qualitatively and point to an orbital selective effect of strong electronic correlations. Furthermore coincidences in the behavior of the Sommerfeld coefficient, the superconducting transition temperature, and the superconducting order parameter suggest that electronic correlations are of great importance for superconductivity in these materials.As the investigation of iron based superconductors demonstrates, mechanical strain is a versatile means to modulate the electronic properties of materials and to study them. Motivated by this, in the second part of this work a strain cell was developed that allows for a large in-situ-tunable strain over a wide temperature range. To enable measurements over the largest possible temperature range an additional measurement probe was designed which uses liquid helium as coolant and an integrated heater cup to provide precise temperature control from 4.2K to room temperature. First test measurements of the elastoresistance of BaFe2As2 confirm a reliable transfer and detection of strain as well as a good agreement with the conventional method where the sample is directly glued onto a piezoelectric actuator. In addition, the developed strain cell opens new perspectives for further studies such as the elastocaloric effect or temperature dependent transport investigations under constant mechanical strain.
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