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Atomistische Simulationen magnetischer Materialien erfordern rechnerisch effiziente Modelle, die auf einem quantenmechanischen Verständnis des mikroskopischen Magnetismus aufbauen. Daher wird nach wie vor viel Aufwand in die Entwicklung neuer interatomarer Potenziale gesteckt, die genaue Simulationen der Spin-Gitter-Dynamik. In dieser Arbeit haben wir die kürzlich formulierte magnetische Atomic Cluster Expansion verwendet, die entwickelt wurde, um die Oberflächen potenzieller Energien für magnetische Elemente genau zu reproduzieren. Um die Anwendbarkeit des neuen Formalismus zu demonstrieren, konstruierten wir eine Parametrisierung für das ferromagnetische Material Eisen unter Verwendung eines Datensatzes von magnetischen Strukturen. Das Modell wurde durch die Auswertung eines breiten Spektrums physikalischer Eigenschaften validiert, die nicht nur für die Struktur im Grundzustand, sondern auch für die bei endlichen Temperaturen auftretenden magnetischen Umwandlungen relevant sind., Atomistic simulations of magnetic materials require computationally efficient models built upon quantum mechanical understanding of microscopic magnetism. A lot of effort is still devoted to development of new interatomic potentials that would enable accurate spin-lattice dynamics simulations. In this work, we used the recently formulated magnetic atomic cluster expansion designed to accurately reproduce potential energies surfaces of magnetic elements. To demonstrate the applicability of the new formalism, we constructed a parametrization for the ferromagnetic material Iron using a dataset of magnetic structures. The model was validated by evaluating a broad range of fundamental physical properties that are relevant not only for the ground state structure but also the magnetic transformations occurring at finite temperatures.

In dieser Arbeit wurde die Qualität der Dichtefunktionaltheorie (DFT) zur Vorhersage der Kristallstruktur und physikalischen Eigenschaften der zwei intermetallischen Actinoidverbindungen UCo (I2_13, cI16) und UIr (P2_1/c, mP16) getestet. Rechnungen mit dem evolutionären Algorithmus USPEX in der LDA-PW-, der GGA-PBE- und DFT+U-Methodik sagen in der skalar-relativistischen Näherung sowohl für UCo als auch für UIr nicht die beobachtete Struktur, sondern den NaTl-Typ (Fd3-m, cF16) als das Energieminimum vorher. Bei UCo lässt sich die relative Energetik unter Berücksichtigung von Spin-Bahn-Wechselwirkungen korrigieren. Bei UIr ist die Energiedifferenz zwischen dem vorhergesagten und experimentell bestimmten Strukturmodell so groß, dass dieses ohne Vorkenntnis des erwarteten Ergebnisses in weiteren Analysen höherer Genauigkeit nicht berücksichtigt würde. Die unterschiedliche Vorhersagequalität lässt sich mit dem Ausmaß der Elektronenkorrelation in UCo und UIr erklären. UCo ist ähnlich wie α-U ein mäßig korreliertes Metall und noch gut in der gewählten Methodik zu beschreiben. Die Eigenschaften von UIr ähneln denen von δ-Pu, dass als stark korreliertes Metall gilt und die Verwendbarkeit der DFT auf dem LDA- oder GGA-Niveau einschränkt. Zwischen beiden Verbindungen verläuft somit eine Grenze der Vorhersagbarkeit. Sichere Vorhersagen sind zunächst nur für Verbindungen mit Thorium oder Protactinium zu erwarten, da sie noch geringere Korrelationseffekte aufweisen sollten. Für weitere Actinoidsysteme sind Methoden höherer Genauigkeit bei der Berechnung der inneren Energie nötig. Die Einflüsse von Spin-Bahn-Wechselwirkungen und der DFT+U-Korrektur hierauf wurden untersucht. Die Berücksichtigung von Spin-Bahn-Wechselwirkungen verbessert die relative Energetik und wird aufgrund ihrer physikalischen Motivation empfohlen. Die DFT+U-Methode ist für die Systeme dieser Arbeit nicht empfehlenswert, da sie neben technischen Problemen keine systematisch kontrollierbare Beeinflussung der relativen Energetik ermöglicht. Eine verbesserte Vorhersagequalität für intermetallische Actinoidverbindungen ist von Vielteilchen-Modellen wie etwa der DFT+DMFT zu erwarten, die dynamische Effekte berücksichtigen. Ursachen für die eingeschränkte Vorhersagequalität wurden qualitativ in Bezug auf die fundamentalen Fehler der DFT-Näherungen untersucht. Der Selbstwechselwirkungs- bzw. Delokalisationsfehler äußert sich primär in einer Überschätzung der Bindungsbeteiligung der 5f-Elektronen. Hierdurch werden Strukturtypen mit kurzen Abständen zwischen den Actinoidatomen, hier der UCo- und der NaTl-Typ, energetisch bevorzugt, die breite 5f-Bänder bilden. Verstärkte attraktive Wechselwirkungen der 5f-Orbitale werden im Experiment durch Druck induziert, so dass beide Strukturtypen potentielle Hochdruckmodifikationen intermetallischer Actinoide sind. Der Selbstwechselwirkungsfehler der DFT führt möglicherweise zur Unterschätzung der Phasenumwandlungsdrücke dieser Verbindungen. Der statische Korrelationsfehler resultiert in einer überschätzten Spinpolarisation der 5f-Elektronen, die in gewisser Weise die Lokalisation und Korrelation dieser Elektronen imitiert. Da sowohl lokalisierte als auch spinpolarisierte Elektronen nicht zur Bindung beitragen, sind auf Kosten eines möglicherweise spinpolarisierten Grundzustandes trotzdem gute Strukturvorhersagen möglich. Dies demonstrieren DFT-Strukturoptimierungen an UCo und UIr. Im ersten Fall kann der Strukturvorschlag des UCo-Typs (I2_13, cI16) bestätigt werden. Im Fall von UIr liefern die DFT-Rechnungen den entscheiden Anstoß zur experimentellen Neubestimmung und Korrektur der Kristallstruktur von der azentrischen Raumgruppe P2_1 zur zentrosymmetrischen Raumgruppe P2_1/c. Demnach ist UIr kein azentrischer Supraleiter, wie vielfach diskutiert wird. Die Überschätzung der Spinpolarisation kann bei der Vorhersage der physikalischen Eigenschaften zu Problemen führen. Dies zeigt die wahrscheinlich nicht haltbare Vorhersage von halbmetallischen Ferromagnetismus in UCo im NaTl-Typ oder die magnetische Stabilisierung von UIr im CrB-Typ. Hilfreiche DFT-Vorhersagen sind vor allem um das lokale Minimum der experimentell beobachteten Strukturen möglich, da hier Fehlerkompensation die Genauigkeit der Berechnungen relativer Energien erhöht. Ein Beispiel hierfür ist die berechnete magnetische Vorzugsrichtung von UIr, die mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Ein Vergleich mit Valenzbandspektren zeigt, dass die Elektronenstrukturen der hier untersuchten Verbindungen qualitativ richtig wiedergegeben werden, so dass ihre Analyse einen Zugang zur Rationalisierung des Auftretens der vorgefundenen Strukturtypen bietet: Sowohl der UCo- als auch der NaTl-Typ ermöglichen die Ausbildung kurzer, homoatomarer Kontakte der Actinoidatome, die die attraktiven Wechselwirkungen der 5f-Orbitale am effektivsten vergrößern. Hierdurch wird der Energieaufwand der Kompression dieser potentiellen Hochdruckverbindungen reduziert.

Magnetism is a phenomenon ubiquitously found in everyday life. Yet, together with superconductivity and superfluidity, it is among the few macroscopically realized quantum states. Although well-understood on a quasi-classical level, its microscopic description is still far from being solved. The interplay of strong interactions present in magnetic condensed-matter systems and the non-trivial commutator structure governing the underlying spin algebra prevents most conventional approaches in solid-state theory to be applied. On the other hand, the quantum limit of magnetic systems is fertile land for the development of exotic phases of matter called spin-liquids. In these states, quantum fluctuations inhibit the formation of magnetic long-range order down to the lowest temperatures. From a theoretical point of view, spin-liquids open up the possibility to study their exotic properties, such as fractionalized excitations and emergent gauge fields. However, despite huge theoretical and experimental efforts, no material realizing spin-liquid properties has been unambiguously identified with a three-dimensional crystal structure. The search for such a realization is hindered by the inherent difficulty even for model calculations. As most numerical techniques are not applicable due to the interaction structure and dimensionality of these systems, a methodological gap has to be filled. In this thesis, to fill this void, we employ the pseudo-fermion functional renormalization group (PFFRG), which provides a scheme to investigate ground state properties of quantum magnetic systems even in three spatial dimensions. We report the status quo of this established method and extend it by alleviating some of its inherent approximations. To this end, we develop a multi-loop formulation of PFFRG, including hitherto neglected terms in the underlying flow equations consistently, rendering the outcome equivalent to a parquet approximation. As a necessary prerequisite, we also significantly improve the numerical accuracy of our implementation of the method by switching to a formulation respecting the asymptotic behavior of the vertex functions as well as employing state-of-the-art numerical algorithms tailored towards PFFRG. The resulting codebase was made publicly accessible in the open-source code PFFRGSolver.jl. We subsequently apply the technique to both model systems and real materials. Augmented by a classical analysis of the respective models, we scan the phase diagram of the three-dimensional body-centered cubic lattice up to third-nearest neighbor coupling and the Pyrochlore lattice up to second-nearest neighbor. In both systems, we uncover in addition to the classically ordered phases, an extended parameter regime, where a quantum paramagnetic phase appears, giving rise to the possibility of a quantum spin liquid. Additionally, we also use the nearest-neighbor antiferromagnet on the Pyrochlore lattice as well as the simple cubic lattice with first- and third-nearest neighbor couplings as a testbed for multi-loop PFFRG, demonstrating, that the inclusion of higher loop orders has quantitative effects in paramagnetic regimes and that the onset of order can be signaled by a lack of loop convergence. Turning towards material realizations, we investigate the diamond lattice compound MnSc\(_2\)S\(_4\), explaining on grounds of ab initio couplings the emergence of a spiral spin liquid at low temperatures, but above the ordering transition. In the Pyrochlore compound Lu\(_2\)Mo\(_2\)O\(_5\)N\(_2\), which is known to not magnetically order down to lowest temperatures, we predict a spin liquid state displaying a characteristic gearwheel pattern in the spin structure factor., Das Phänomen des Magnetismus ist allgegenwärtig im täglichen Leben und doch ist es, zusammen mit der Supraleitung und -fluidität, eines der wenigen makroskopisch realisierten Quantenphänomene. Auf quasi-klassischer Ebene ist Magnetismus gut verstanden, doch seine mikroskopische Beschreibung ist noch weit davon entfernt, als gelöst bezeichnet zu werden. Das Zusammenspiel von starken Wechselwirkungen, die in magnetischer kondensierte Materie am Werke sind, und der nicht-trivialen Kommutatorstruktur, die die zugrunde liegende Spin-Algebra bestimmt, verhindert, dass konventionelle Herangehensweisen der Festkörpertheorie angewendet werden können. Andererseits ist der quantenmechanische Grenzfall magnetischer Systeme ein fruchtbarer Boden für die Herausbildung exotischer Phasen der Materie, die als Spin-Flüssigkeiten bezeichnet werden. In diesen Zuständen verhindern Quantenfluktuationen die Ausbildung einer langreichweitigen magnetischen Ordnung auch bei niedrigsten Temperaturen. Aus theoretischer Sicht eröffnen Spinflüssigkeiten die Möglichkeit, exotische Eigenschaften, wie fraktionalisierte Anregungen und emergente Eichfelder, zu studieren. Großen theoretischen und experimentellen Anstrengungen zum Trotz wurde jedoch bisher kein Material mit dreidimensionaler Kristallstruktur identifiziert, das unzweifelhaft die Eigenschaften von Spinflüssigkeiten aufweist. Die Suche nach einer solchen Realisierung wird von der Komplexität behindert, die sogar einfachen Modellrechnungen inhärent ist. Da die meisten numerischen Verfahren aufgrund der Wechselwirkungsstruktur und Dimensionalität der Systeme nicht anwendbar sind, bleibt eine methodische Lücke bestehen. In dieser Arbeit benutzen wir die pseudo-fermionische funktionale Renormierungsgruppe (PFFRG), um diese zu füllen. Mit ihr realisieren wir ein Verfahren, um die Grundzustandseigenschaften von quantenmagnetischen Systemen in drei Raumdimensionen zu studieren, Wir fassen den Status quo dieser bereits etablierten Methode zusammen und erweitern sie, indem wir einige ihrer inhärenten Näherungen abmildern. Dafür entwickeln wir eine Mehrschleifen-Formulierung der PFFRG, die bisher vernachlässigte Terme der zugrunde liegenden Flussgleichungen konsistent berücksichtigt und damit die PFFRG äquivalent zur Parquet-Näherung macht. Um dies zu erreichen, verbessern wir außerdem die numerische Genauigkeit der Methode signifikant, indem wir einerseits zu einer Formulierung wechseln, welche die Asymptotiken der Vertex-Funktionen explizit berücksichtigt und andererseits moderne Algorithmen, maßgeschneidert für die PFFRG, nutzt. Der daraus resultierenden Computercode wurde im Open-Source Paket PFFRGSolver.jl öffentlich zugänglich gemacht. Im Anschluss wenden wir die Methode sowohl auf Modellsysteme, als auch echte Materialien an. Vor dem Hintergrund klassischer Analysen scannen wir die Phasendiagramme des dreidimensionalen raumzentrierten kubischen und des Pyrochlorgitters, wobei wir Wechselwirkungen bis zu drittnächsten beziehungsweise übernächsten Nachbarn berücksichtigen. In beiden Systemen finden wir, neben den klassisch geordneten Phasen, einen ausgedehnten Parameterraum, in dem eine quantenparamagnetische Phase im Phasendiagramm erscheint, welche die Möglichkeit einer Quantenspinflüssigkeitsphase eröffnet. Wir nutzen außerdem den Nächstnachbarantiferromagnet auf dem Pyrochlorgitter und das kubische Gitter mit Nächst- und Drittnächstnachbarwechselwirkung als einen Prüfstand für die Vielschleifen-PFFRG, indem wir zeigen, dass die Berücksichtigung höherer Schleifenordnungen quantitative Auswirkungen in den paramagnetischen Regimen hat und außerdem magnetische Ordnung durch ein Fehlen der Schleifenkonvergenz signalisiert werden kann. Abschließend wenden wir uns den echten Materialien zu und untersuchen MnSc\(_2\)S\(_4\), welches eine Diamantgitterstruktur aufweist. Basierend auf ab intio Kopplungsstärken erklären wir das Auftreten einer Spiralspinflüssigkeit bei niedrigen Temperaturen, aber oberhalb des Ordnungsübergangs. Zudem sagen wir im Pyrochlormaterial Lu\(_2\)Mo\(_2\)O\(_5\)N\(_2\), welches in Experimenten auch bei niedrigsten Temperaturen nicht magnetisch ordnet, einen Spinflüssigkeitszustand voraus, der sich durch ein charakteristisches Zahnradmuster im Spinstrukturfaktor auszeichnet.

Due to their ubiquity on the surface of Earth, silicates represent the most important raw materials throughout human history. From simple Stone Age toolmaking, to Roman concrete to modern lab ware, silicic minerals have been predominantly utilised for their excellent chemical and mechanical durability. The fundamental research by geoscientist as well as applied scientist has also brought the functional properties of silicates to light and allowed their widespread use technology. Recently, the dielectric and magnetic properties of silicate ceramics have drawn the interest of researchers. With the growing adoption of new ultra high bandwidth network technologies, such as 5G telecommunication or intelligent transport systems, wireless data traffic is anticipated to skyrocket in the coming years. In order to accommodate this vast rise in data transmission, it will be necessary to utilise frequencies in the millimetre wave range from 30-300 GHz. Since the shift towards higher frequencies is also associated with other material requirements, novel compounds for the respective components, such as resonators, filters or waveguides, will have to be identified. In particular, the demand for dielectric materials with lower permittivity and improved loss characteristics will be increased immensely and the research carried out so far shows that silicate ceramics are promising material candidates that could meet that demand. Further, the special class of inosilicates has been identified to exhibit magnetoelectric behaviour, in which the electric polarization can be influenced by a magnetic field. In the context of high frequency wireless applications, this would allow for the modification of dielectric properties of a built-in component. In the first part of this thesis, the dielectric performance of silicate ceramics is thoroughly reviewed on the basis of a large number of previous publications. It is demonstrated how microstructure and SiO4 tetrahedral connectivity influence polarizability and dielectric losses. Based on the gathered data, a careful consideration is given on whether silicate materials are suitable for the use in upcoming applications as efficient millimetre wave dielectrics. To lower processing temperatures and enable co-firing in the creation of components operating in the high frequency regime, innovative soft chemistry-based processing pathways for silicate dielectric ceramics are recognized as being crucial. In the second part of this work, three methods were compared for the synthesis of polycrystalline silicate ceramics from the neso-, soro-, and inosilicate families: co-precipitation, modified sol-gel, and conventional solid-state processes. In comparison to sol-gel and solid-state techniques, co-precipitated samples exhibit better sintering and densification behaviour, with diametral shrinkage values of 13.3%, 25.0% and 28.8%, respectively. The modified Pechini-type sol-gel method's ability to sterically entrap cations and provide shorter diffusion paths made it the most straightforward to manage in terms of phase formation in these ceramics. Recommendations are provided for the development of synthesis procedures that take into account the microstructure and phase formation requirements for various functional silicate ceramics. The results of the third part of this dissertation illustrate how lithic kosmochlor, LiCrSi2O6, can combine low permittivity with high quality factors and low densification temperatures, enabling its incorporation in co-fired circuits, based on composition and structural considerations. The densification of LiCrSi2O6 ceramics during spark plasma sintering is discovered to be facilitated at temperatures more than 200 °C lower than those of typically treated materials in just a fraction of the time. To get a consistent high-performance product material with a fine-grained microstructure, a controlled method with a 10-minute sintering time is required. Following densification at just 950 °C, millimetre wave frequency characterisation shows that the LiCrSi2O6 materials made in this way have outstanding dielectric characteristics (Qf = 80 700 GHz and ε_r = 7.5). For ceramics produced without the use of sintering aids, these findings show an unparalleled combination of low dielectric losses and processing temperatures. The materials and techniques examined here open up new avenues for developing co-fireable and high performance millimetre wave systems. Lastly, in the fourth part of the thesis, a novel sodium gadolinium silicate material with NaGdSi2O6 composition is effectively synthesized, using a chelation-polymerization-based sol-gel approach and Rietveld refined synchrotron X-ray powder diffraction is used to identify the crystal structure. With space group P21/c, unit cell parameters of a = 5.44069(8) Å, b = 13.83410(17) Å, c = 7.66897(9) Å, and = 109.9929(6)° (Z = 4), NaGdSi2O6 crystallizes in monoclinic symmetry. It is determined that the structure is an inosilicate with a highly undulating single tetrahedral chain along c and a chain periodicity of four (Vierer chain). Although NaGdSi2O6 exhibits weak antiferromagnetic coupling, no long range magnetic ordering above 2 K can be observed., Aufgrund ihrer Allgegenwärtigkeit auf der Erdoberfläche stellen Silikate die wichtigsten Rohstoffe der Menschheitsgeschichte dar. Vom einfachen, steinzeitlichen Werkzeugbau, über römischen Beton, bis hin zu modernen Laborgeräten wurden siliziumhaltige Mineralien überwiegend wegen ihrer hervorragenden chemischen und mechanischen Beständigkeit verwendet. Die Grundlagenforschung von Geowissenschaftlern sowie angewandten Wissenschaftlern hat auch die funktionellen Eigenschaften von Silikaten ans Licht gebracht und deren weit verbreiteten, technischen Einsatz ermöglicht. In der jüngeren Vergangenheit haben die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften von Silikatkeramiken das Interesse von Forschern geweckt. Mit der zunehmenden Einführung neuer Netzwerktechnologien mit ultrahoher Bandbreite wie 5G-Telekommunikation oder intelligenten Transportsystemen wird der drahtlose Datenverkehr in den kommenden Jahren voraussichtlich stark in die Höhe schnellen. Um diesem enormen Anstieg der Datenübertragung Rechnung zu tragen, wird es notwendig sein, Frequenzen im Millimeterwellenbereich von 30–300 GHz zu verwenden. Da die Verschiebung zu höheren Frequenzen auch mit anderen Materialanforderungen verbunden ist, müssen neuartige Verbindungen für die entsprechenden Komponenten wie Resonatoren, Filter oder Wellenleiter identifiziert werden. Insbesondere die Nachfrage nach dielektrischen Materialien mit geringerer Dielektrizitätskonstante und verbesserten Verlusteigenschaften wird immens zunehmen, und die bisher durchgeführte Forschung zeigt, dass Silikatkeramiken vielversprechende Materialkandidaten sind, die diese Nachfrage befriedigen könnten. Weiterhin wurde festgestellt, dass die spezielle Klasse der Inosilikate ein magnetoelektrisches Verhalten zeigt, bei dem die elektrische Polarisation durch ein Magnetfeld beeinflusst werden kann. Im Zusammenhang mit drahtlosen Hochfrequenzanwendungen würde dies die Modifikation der dielektrischen Eigenschaften einer eingebauten Komponente ermöglichen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die dielektrische Leistungsfähigkeit von Silikatkeramiken anhand einer Vielzahl früherer Veröffentlichungen ausführlich dargestellt. Es wird gezeigt, wie die Mikrostruktur und die Konnektivität von SiO4 Tetraedern die Polarisierbarkeit und die dielektrischen Verluste beeinflussen. Basierend auf den gesammelten Daten wird sorgfältig geprüft, ob Silikatmaterialien für den Einsatz in kommenden Anwendungen, als effiziente Millimeterwellendielektrika, geeignet sind. Um die Verarbeitungstemperaturen zu senken und das co-firing bei der Herstellung von Komponenten zu ermöglichen, die im Hochfrequenzbereich arbeiten, werden innovative, auf soft-chemistry basierende Verarbeitungswege für dielektrische Silikatkeramiken als entscheidend angesehen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden drei Methoden zur Synthese polykristalliner Silikatkeramiken aus den Neso-, Soro- und Inosilikatfamilien verglichen: Kopräzipitation, eine modifiziertes Sol-Gel Methode und konventionelle Festkörperprozesse. Im Vergleich zu Sol-Gel- und Festkörpertechniken zeigen kopräzipitierte Proben ein besseres Sinter- und Verdichtungsverhalten mit diametralen Schrumpfungswerten von 13,3 %, 25,0 % und 28,8 %. Die Fähigkeit des modifizierten Sol-Gel-Verfahrens vom Pechini-Typ, Kationen sterisch einzufangen und kürzere Diffusionswege bereitzustellen, macht es hinsichtlich der Phasenbildung in diesen Keramiken am einfachsten zu handhaben. Es werden Empfehlungen für die Entwicklung von Syntheseverfahren gegeben, die die Mikrostruktur- und Phasenbildungsanforderungen für verschiedene funktionelle Silikatkeramiken berücksichtigen. Im dritten Teil dieser Dissertation wird gezeigt, wie Lithium-Kosmochlor, LiCrSi2O6, basierend auf Zusammensetzung und strukturellen Überlegungen, eine niedrige Dielektrizitätskonstante mit hohen Qualitätsfaktoren und niedrigen Verdichtungstemperaturen kombinieren kann, was seine Verwendung in co-fired Elementen ermöglicht. Es wurde festgestellt, dass die Verdichtung von LiCrSi2O6-Keramiken während des Spark-Plasma-Sinterns bei Temperaturen möglich wird, die mehr als 200 °C niedriger sind als die von konventionell behandelten Materialien, und zwar in nur einem kleinen Teil der Zeit. Um ein konsistentes Hochleistungsproduktmaterial mit einer feinkörnigen Mikrostruktur zu erhalten, ist ein kontrolliertes Verfahren mit einer Sinterzeit von 10 Minuten erforderlich. Nach der Verdichtung bei nur 950 °C zeigt die Millimeterwellen-Frequenzcharakterisierung, dass die so hergestellten LiCrSi2O6-Materialien hervorragende dielektrische Eigenschaften aufweisen (Qf = 80 700 GHz und ε_r = 7,5). Für Keramiken, die ohne Verwendung von Sinterhilfsmitteln hergestellt wurden, zeigen diese Ergebnisse eine beispiellose Kombination aus niedrigen dielektrischen Verlusten und Verarbeitungstemperaturen. Die hier untersuchten Materialien und Techniken eröffnen neue Wege für die Entwicklung gemeinsam befeuerbarer und hochleistungsfähiger Millimeterwellensysteme. Schließlich wird im vierten Teil der Arbeit ein neuartiges Natrium-Gadolinium-Silikat-Material mit NaGdSi2O6-Zusammensetzung effektiv synthetisiert, indem ein auf Chelat-Polymerisation basierender Sol-Gel-Ansatz verwendet wird, und Rietveld-verfeinerte Synchrotron-Röntgenpulverbeugung wird verwendet, um die Kristallstruktur zu identifizieren. Mit der Raumgruppe P21/c, Elementarzellenparametern von a = 5,44069(8) Å, b = 13,83410(17) Å, c = 7,66897(9) Å und = 109,9929(6)° (Z = 4), kristallisiert NaGdSi2O6 in monokliner Symmetrie . Es wird bestimmt, dass die Struktur ein Inosilikat mit einer stark gewellten Tetraederkette entlang c und einer Kettenperiodizität von vier (Vierer chain) ist. Obwohl NaGdSi2O6 eine schwache antiferromagnetische Kopplung zeigt, kann oberhalb von 2 K keine weitreichende magnetische Ordnung beobachtet werden.

Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit konnte erfolgreich eine Reihe an radikal- (n = 3) und bptz0-verbrückten (n = 4) homodinuklearen Metallkomplexen (20 Verbindungen) der Form [{M(L-N4R2)}2(bptz)](X)n mit dem verbrückenden redoxaktiven bptz-Liganden (bptz = 3,6-Di(2-pyridyl)-1,2,4,5-tetrazin), dem terminalen L-N4R2-Liganden (L-N4R2 = 2,11-Diaza[3.3](2,6)pyridinophan, R = Me oder tBu), unterschiedlichen Gegenionen (X = PF6-, ClO4-, AsF6-, OTf-) und den 3d-Metallionen Fe2+, Co2+, Co3+, Ni2+, Cu2+ und Zn2+ sowie Ru2+ als einzigem Vertreter der 4d-Metalle realisiert werden. Die generierten Komplexe wurden dabei röntgenkristallographisch, elementaranalytisch, ESI-massenspektrometrisch, elektrochemisch, mit Hilfe eines SQUID-Magnetometers, UV/Vis-, IR-, NMR- und ESR-spektroskopisch charakterisiert. Die Fe-haltigen Spezies wurden zudem mittels der Mößbauer-Spektroskopie untersucht. Im Zuge dieser Analysen konnte der Einfluss des Oxida-tionszustandes des Brückenliganden und der Metallionen auf die Komplexeigenschaften ergründet werden. Das wichtigste Resultat dieser Dissertation war die Synthese schaltbarer Fe2+-SCO-Verbindungen. Im Zuge der Untersuchung der Reihe an radikalverbrückten homodinuklearen Übergangsmetallkomplexen stellte sich heraus, dass dessen Vertreter mit dem Komplexkation [{Fe(L-N4tBu2)}2(bptz)]3+ und den Gegenionen PF6-, ClO4-, AsF6-, OTf- SCO-Charakteristika aufwiesen. Diese konnten durch die reversible Elektronenaufnahme des Brückenliganden ein- und ausgeschaltet werden. Der jeweils sukzessiv erfolgende, graduelle, zweifache SCO-Prozess konnte erfolgreich mittels röntgenkristallographischer, NMR-, UV/Vis- und Mößbauer-spektroskopischer Analyse sowie durch ein SQUID-Magnetometer verfolgt werden. Dabei wurde eine antiferromagnetische Kopplung zwischen dem HS-Fe2+-Zentrum und dem organischen Radikal detektiert. Die Verwendung verschiedener Gegenionen und Lösungsmittel ermöglichte die Adressierung unterschiedlicher magnetischer Grundzustände und Spinübergangstemperaturen.

Die rasanten Fortschritte bei der Entwicklung neuartiger 2D-Materialien haben in den letzten Jahren auch das Forschungsfeld der Spintronik stetig bereichert aufgrund der vielseitigen physikalischen Eigenschaften und der Flexibilität hinsichtlich der Realisierung von Heterostrukturen. Das erst kürzlich entdeckte metastabile und geschichtete Material alpha-FeGe2 trägt das Potenzial, in die Klasse der bekannten 2D Materialien aufgenommen zu werden. In dieser Dissertation werden die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von alpha-FeGe2 diskutiert, basierend auf elektrischen Transportmessungen bei unterschiedlichen äußeren Magnetfeldern und Temperaturen. Zur Untersuchung von magnetoresistiven Effekten wurden Spinventilstrukturen mit alpha-FeGe2 als Trennmaterial zwischen zwei metallische Ferromagnete verwendet. Es wird gezeigt, dass alpha-FeGe2 eine dickenabhängige kritische Temperatur besitzt, die bei etwa 100 K liegt und mit einem magnetischen Phasenübergang von der antiferromagnetischen Phase für T > 100 K in die ferromagnetische Phase bei T < 100 K verknüpft ist. Dieser Phasenübergang wird von Berechnungen aus der Dichtefunktionaltheorie (DFT) gestützt. Es wird gezeigt, dass die magnetische Ordnung in der alpha-FeGe2-Trennschicht einen starken Einfluss auf die Spinventilsignale ausübt. Insbesondere spielt hierbei die Auswirkung auf die magnetische Interschichtkopllung zwischen den ferromagnetischen Elektroden aus Fe3Si oder Co2FeSi eine entscheidende Rolle. Die magnetische Kopplung an der Grenzfläche zwischen antiferromagnetischem alpha-FeGe2 und Fe3Si führt zu einer Anisotropie in den Spinventilsignalen hinsichtlich der Orientierung des externen Magnetfeldes. Diese Anisotropie wird durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Magnetisierung der ferromagnetischen Elektroden und der magnetischen Vorzugsrichtung des antiferromagnetischen alpha-FeGe2, die durch den sog. Néelvektor beschrieben wird, diskutiert., The rapid progress in the development of new 2D materials have also enriched spintronic research in recent years, thanks to their versatile physical properties and flexibility with regard to the design of heterostructures. The prominent examples graphene and transition metal dichalcogenides (TMDs) have the prospect to represent the basis of future spintronic applications, in particular due to their tunability and multifunctionality. The recently discovered metastable layered material alpha-FeGe2 is a potential candidate for being added to this class of materials. In this work, the electrical and magnetic properties of alpha-FeGe2 are studied, based on results from electrical transport measurements at different external magnetic fields and temperatures. For the investigation of magnetoresistive effects, spin valve devices containing alpha-FeGe2 as a spacer layer between two metallic ferromagnets have been utilized. It is shown that alpha-FeGe2 exhibits a thickens dependent critical temperature around 100 K at which it undergoes a magnetic phase transition from an antiferromagnetic state at T > 100 K to a ferromagnetic state at T < 100 K. This phase transition is also predicted by density functional theory (DFT) calculations and reflected in a disappearing spin valve signal at low temperatures. It is demonstrated that the magnetic phase of the alpha-FeGe2 spacer strongly influences the performance of spin valves, particularly via the impact on the magnetic interlayer coupling between the ferromagnetic electrodes made of Fe3Si or Co2FeSi. The magnetic coupling at the interface between antiferromagnetic alpha-FeGe2 and Fe3Si was found to induce anisotropies in the spin valve signal with regard to the external magnetic field orientation. This anisotropy is explained in terms of a complex interplay between the misalignment between the ferromagnetic electrodes and the magnetically preferred direction of the antiferromagentic alpha-FeGe2 described by the Néel vector.

Mit der Einführung des Lehrplans 21 bekommt die Fachorientierung einen neuen Stellenwert für die Bildung von Schülern und Schülerinnen mit komplexen Behinderungen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema „Magnetische Phänomene“. Im Rahmen einer Entwicklungsarbeit entstand ein digitales Lehrmittel für den Förderschwerpunkt geistige Entwicklung. Das dabei entstandene Produkt vermittelt handlungsorientierte Ideen und spielerische Anregungen auf der Grundlage der Anwendung des LP21. Anhand von Leitfadeninterviews wurde das digitale Lehrmittel evaluiert. Dabei legen die Ergebnisse nahe, dass die Ideen und Anregungen Lernchancen für alle Lernenden beinhalten. Die Befragten beschrieben das digitale Lehrmittel als klar aufgebaut, ansprechend und inspirierend, insbesondere die Videos.

Akustische Oberflächenwellen-Bandpassfilter werden seit vielen Jahren in Mobilfunkgeräten zur Trennung der Frequenzen in den Frontend-Modulen eingesetzt. Im einfachsten Fall besteht ein akustischer Oberflächenwellen-Bandpassfilter aus einem piezoelektrischen Kristall und zwei metallisierten Kammstrukturen. Auf sehr effiziente Weise können damit über den piezoelektrischen Effekt akustische Oberflächenwellen (engl. Surface Acoustic Waves, SAWs) in einem festgelegten Frequenzbereich angeregt und ausgelesen werden. Eine sehr nützliche Funktionalität - die Nichtreziprozität - hat sich bisher für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente noch nicht erfolgreich in Anwendungen integrieren lassen. Somit ist es nicht möglich akustische Oberflächenwellen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen, effizient zu trennen und beispielsweise akustische Dioden zu bauen. Im Gegensatz zu SAWs können Spinwellen (SWs) ein nichtreziprokes Verhalten aufweisen, da die Präzession der magnetischen Momente einen festgelegten rechtshändigen Drehsinn beschreibt und so die Zeitumkehr gebrochen wird. In diesem Sinne folgt diese Arbeit der Idee, reziproke SAWs mit nichtreziproken SWs zu koppeln, um eine nichtreziproke Transmissionscharakteristik für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente zu erzielen. Hierzu werden unterschiedliche magnetische Dünnschichtsysteme zwischen den beiden metallisierten Kammstrukturen auf den piezoelektrischen Substraten LiNbO3 und LiTaO3 abgeschieden. Grundsätzlich können SAWs SWs in magnetischen Dünnschichten aufgrund von magnetoelastischer Kopplung, aber auch den erst vor kurzem beschriebenen Mechanismen der Magneto-Rotation Kopplung und Spin-Rotation Kopplung anregen. Resonante Wechselwirkung ist möglich, falls sich die Dispersionen von SAW und SW im ungekoppelten Zustand überlagern. Dabei wird zum einen ausgenutzt, dass die magnetoakustische Anregung von SWs durch SAWs bereits nichtreziprok ist. Grund dafür ist die mögliche Fehlanpassung der Helizitäten von magnetoakustischem Treibefeld und Magnetisierungsdynamik. Dieser Effekt ist aufgrund von Magneto-Rotation Kopplung in Dünnschichten aus CoFeB(d) besonders ausgeprägt und wird zusätzlich für unterschiedliche SAW-Moden in Dünnschichten aus Ni(10 nm) untersucht. Zum anderen werden das erste Mal in der Magnetoakustik gezielt ferromagnetische Dünnschichtsysteme eingesetzt, die eine nichtreziproke Spinwellendispersion aufweisen. Hierzu werden die Schichtsysteme CoFeB(d)/Pt(3 nm) und NiFe(20 nm)/Au(5 nm)/CoFeB(5 nm) untersucht, deren nichtreziproke Spinwellendispersionen aus der Grenzflächen-Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung und magnetisch dipolaren Zwischenschichtkopplung resultieren. Aus der Kombination der nichtreziproken Anregung und nichtreziproken Spinwellendispersion ergibt sich eine stark nichtreziproke Transmissionscharakteristik für die gefertigten piezoelektrisch-ferromagnetischen Hybridstrukturen. Des Weiteren wird zur Interpretation der magnetoakustischen Transmissionsmessungen ein phänomenologisches Modell erarbeitet, das es erlaubt SWs und magnetische Parameter der magnetischen Dünnschichten zu charakterisieren. Mittels der neuen Methode der „magnetoakustischen SW-Spektroskopie" lassen sich beispielsweise gekoppelte SW-Moden in magnetischen Bilagen untersuchen und die effektiven Dzyaloshinskii-Moriya-Konstanten in magnetischen Dünnschichten bestimmen. Somit ist es künftig prinzipiell möglich magnetoakustische Dioden mit gewünschten Charakteristika zu designen. Surface acoustic wave bandpass filters have been used in mobile phones for many years to separate the frequencies in the front-end modules. In the simplest case, a surface acoustic wave bandpass filter consists of a piezoelectric crystal and two metalized comb structures. In a very efficient way, surface acoustic waves (SAWs) can be excited and detected in a defined frequency range via the piezoelectric effect. A very useful functionality - the non-reciprocity - has not yet been successfully integrated into applications for SAW devices. It is therefore not possible to efficiently separate SAWs traveling in opposite directions and to build acoustic diodes, for instance. In contrast to SAWs, spin waves (SWs) can show a non-reciprocal behavior, since the precession of the magnetic moments describes a fixed right-handed sense of rotation, thus breaking the time-reversal. In this sense, this work follows the idea of coupling reciprocal SAWs with non-reciprocal SWs to achieve non-reciprocal transmission characteristics for surface acoustic wave devices. For this purpose, different magnetic thin-film systems are deposited between the two metalized comb structures on the piezoelectric substrates LiNbO3 and LiTaO3. Surface acoustic waves can excite SWs in the magnetic thin films due to magnetoelastic coupling, but also magneto-rotational coupling and spin-rotational coupling. Resonant interaction is possible if the dispersions of SAW and SW intersect in the uncoupled state. On the one hand, it will be shown that the magnetoacoustic excitation of SWs by SAWs is already non-reciprocal. The reason for this is the possible mismatch of the helicities of the magnetoacoustic driving field and magnetization dynamics. This effect is particularly pronounced in CoFeB(d) thin films due to magneto-rotational coupling and is also investigated for different SAW modes in Ni(10 nm) thin films. On the other hand, for the first time in magnetoacoustics, ferromagnetic thin-film systems are used that have a non-reciprocal spin wave dispersion. The thin-film systems CoFeB(d)/Pt(3 nm) and NiFe(20 nm)/Au(5 nm)/CoFeB(5 nm) are studied whose non-reciprocal spin wave dispersion results from the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction and interlayer magnetic-dipolar coupling. The combination of non-reciprocal magnetoacoustic excitation and non-reciprocal spin wave dispersion results in a strongly non-reciprocal transmission characteristic for the fabricated piezoelectric-ferromagnetic hybrid structures. Furthermore, a phenomenological model is developed for the interpretation of the magnetoacoustic transmission measurements, which allows for the characterization of SWs and magnetic parameters of magnetic thin films. Using the new method of "magnetoacoustic SW spectroscopy" it is possible, for example, to investigate coupled SW modes in magnetic bilayers and to determine the effective Dzyaloshinskii-Moriya constant in magnetic thin films. In principle, it will therefore become possible to design magnetoacoustic diodes with desired characteristics in the future.

The itinerant ferromagnet Fe3Sn2 displays a plethora of spin textures due to competing magnetic interactions. Dendrites, stripes, topologically trivial and skyrmionics bubbles can be realized by applying magnetic field, or geometric confinement using focused ion beam (FIB). Magnetic force microscopy (MFM) and Lorentz transmission electron microscopy (LTEM) are used to image these spin textures, while micromagnetic simulations elucidate the obtained contrast. Fe3Sn2 serves as a model system for similar intermediate Q materials, where the shape anisotropy and the uniaxial magnetocrystalline anisotropy compete on comparable scales. Thus, the presented results pave the way towards spintronics applications. Die itinerante, ferromagnetische Verbindung Fe3Sn2 weist infolge konkurrierender magnetischer Interaktionen eine Vielzahl von Spin-Texturen auf. Dendriten, Streifen-, sowie topologisch geschützte und triviale Bubble-Domänen können durch externes magnetisches Feld, beziehungsweise geometrische Beschränkungen mittels Focused Ion Beam (FIB) stabilisiert werden. Magnetic Force Microscopy (MFM) und Lorentz Transmission Electron Microscopy (LTEM) dienen zur Abbildung der magnetischen Strukturen, deren Kontrast durch micromagnetische Simulationen erklärt wird. Fe3Sn2, stellt ein Modellsystem für viele „intermediate Q“ Materialien dar. Diese zeichnen sich durch ausgeglichene Form- und magnetokristalline Anisotropie aus. Die präsentierten Resultate weisen den Weg hin zu Spintronic basierten Anwendungen.

Manipulation of ferromagnetic (FM) spins (and spin textures) using an antiferromagnet (AFM) as an active element in exchange coupled AFM/FM heterostructures is a promising branch of spintronics. Recent ground-breaking experimental demonstrations, such as electrical manipulation of the interfacial exchange coupling and FM spins, as well as ultrafast control of the interfacial exchange-coupling torque in AFM/FM heterostructures, have paved the way towards ultrafast spintronic devices for data storage and neuromorphic computing device applications.[5,6] To achieve electrical manipulation of FM spins, AFMs offer an efficient alternative to passive heavy metal electrodes (e.g., Pt, Pd, W, and Ta) for converting charge current to pure spin current. However, AFM thin films are often integrated into complex heterostructured thin film architectures resulting in chemical, structural, and magnetic disorder. The structural and magnetic disorder in AFM/FM-based spintronic devices can lead to highly undesirable properties, namely thermal dependence of the AFM anisotropy energy barrier, fluctuations in the magnetoresistance, non-linear operation, interfacial spin memory loss, extrinsic contributions to the effective magnetic damping in the adjacent FM, decrease in the effective spin Hall angle, atypical magnetotransport phenomena and distorted interfacial spin structure. Therefore, controlling the magnetic order down to the nanoscale in exchange coupled AFM/FM-based heterostructures is of fundamental importance. However, the impact of fractional variation in the magnetic order at the nanoscale on the magnetization reversal, magnetization dynamics, interfacial spin transport, and the interfacial domain structure of AFM/FM-based heterostructures remains a critical barrier. To address the aforementioned challenges, we conduct a comprehensive experimental investigation of chemical, structural, magnetization reversal (integral and element-specific), magnetization dynamics, and magnetotransport properties, combined with high-resolution magnetic imaging of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3-based heterostructures. Initially, we study the chemical, structural, electrical, and magnetic properties of epitaxially textured MgO(001)/IrMn3(0-35 nm)/Ni3Fe(15 nm)/Al2O3(2.0 nm) heterostructures. We reveal the impact of magnetic field annealing on the interdiffusion at the IrMn3/Ni3Fe interface, electrical resistivity, and magnetic properties of the heterostructures. We further present an AFM IrMn3 film thickness dependence of the exchange bias field, coercive field, magnetization reversal, and magnetization dynamics of the exchange coupled heterostructures. These experiments reveal a strong correlation between the chemical, structural and magnetic properties of the IrMn3-based heterostructures. We find a significant decrease in the spin-mixing conductance of the chemically-disordered IrMn3/Ni3Fe interface compared to the chemically-ordered counterpart. Independent of the AFM film thickness, we unveil that thermally disordered AFM grains exist in all the samples (measured up to 35-nm-thick IrMn3 films). We develop an iterative magnetic field cooling procedure to systematically manipulate the orientation of the thermally disordered and reversible AFM moments and thus, achieve tunable magnetic, and magnetotransport properties of exchange coupled AFM-based heterostructures. Subsequently, we investigate the impact of fractional variation in the AFM order on the magnetization reversal and magnetotransport properties of the epitaxially textured ɣ-phase IrMn3/Ni3Fe, Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe, and Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/CoO heterostructures. We probe the element-specific (FM: Ni and Co, and AFM: Mn) magnetization reversal properties of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO heterostructures in various magnetic field cooled states. We present a detailed procedure for separating the spin and orbital moment contributions for magnetic elements using the XMCD sum rule. We address whether Mauri-type domain walls can develop at the (polycrystalline) exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe interfaces. We further study the impact of magnetic field cooling on the AFM Mn (near L2,3-edges) X-ray absorption spectra. Finally, we employ a combination of in-field high-resolution magnetic force microscopy, magnetooptical Kerr effect magnetometry with micro-focused beam, and micromagnetic simulations to study the magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM and AFM/FM/AFM disk structures. We examine the magnetic vortex annihilation mechanism mediated by the emergence and subsequent annihilation of the vortex-antivortex (V-AV) pairs in simple FM and exchange coupled FM/AFM as well as AFM/FM/AFM disk structures. We image the distorted magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM disks proposed by Gilbert and coworkers. We further emphasize crucial magnetic vortex properties, such as handedness, effective vortex core radius, core displacement at remanence, nucleation field, annihilation field, and exchange bias field. Our experimental inquiry offers profound insight into the interfacial exchange interaction, magnetization reversal, magnetization dynamics, and interfacial spin transport of the AFM/FM-based heterostructures. Moreover, our results pave the way towards nanoscale control of the magnetic properties in AFM-based heterostructures and point towards future opportunities in the field of AFM spintronic devices.:1. Introduction 2. Magnetic Interactions and Exchange Bias Effect 3. Materials 4. Experimental Methods 5. Structural, Electrical, and Magnetization Reversal Properties of Epitaxially Textured ɣ-IrMn3/ Ni3Fe Heterostructures 6. Magnetization Dynamics of MgO(001)/IrMn3/Ni3Fe Heterostructures in the Frequency Domain 7. Tunable Magnetic and Magnetotransport Properties of MgO(001)/Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/ CoO/Pt Heterostructures 8. Element-Specific XMCD Study of the Exchange Couple Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO Heterostructures 9. Distorted Vortex Structure and Magnetic Vortex Reversal Processes in Exchange Coupled Ni3Fe/IrMn3 Disk Structures 10. Conclusions and Outlook Addendum Acronyms Symbols Publication List Author Information Acknowledgments Statement of Authorship

In this thesis the spinel ferrites, a class of materials, which are interesting for photocatalytic and spintronic applications, is thoroughly investigated with regard to their structural and magnetic properties in relation to the cation distribution. The main focus is set on two types of spinel ferrite thin films, namely ZnFe2O4 and Zn/Al doped NiFe2O4, which grow in the normal and inverse spinel crystal structure, respectively. The thin films are grown with reactive magnetron sputtering and studied using integral techniques like x-ray diffraction, super conducting quantum interference device (SQUID) magnetometry and ferromagnetic resonance with a conventional X-band and a vector network analyser setup. Furthermore, the element-selective techniques Rutherford backscattering, elastic recoil detection, x-ray absorption spectroscopy and x-ray magnetic circular dichroism are utilised. Zinc ferrite thin films are investigated to clarify the so far inconclusive findings regarding the dominating type of magnetism. The analysis shows that the magnetic properties strongly depend on the sputter power, i.e. the deposition rate of sample series grown on two different substrates. An indication for a spin glass like behaviour is found for high deposition rates using typical measurement schemes of a SQUID magnetometer. Zn/Al doped nickel ferrites are sought after as a magnetic insulator with a low magnetic damping. The investigation of the Zn/Al doped nickel ferrite thin films is divided into two main parts. The first deals with the cation distribution by comparing a Zn-deficient with a Zn-rich sample. A strong dependence of the structural and magnetic properties on the cation distribution is found. The changes in the Zn content strongly affect the magnetic damping and the g-factor. Furthermore, the promotion of scattering centers by A/B disorder leads to two-magnon scattering. The second part deals with the systematic variation of the Zn and Al content as the adaptation of the stoichiometry seems promising. Three different sample series, namely the Zn series, Al series and thickness series are investigated in detail. From the Zn series a clear dependence of the linewidth is evidenced and a low Zn content was found to yield the best results. The Al series shows that deviating from the ideal concentration of the Zn series either affects the coercivity or the Curie temperature, which are crucial properties in the search for soft magnetic insulators with a low magnetic damping at room temperature. Furthermore, in the thickness series the lowest magnetic damping is found for a 25 nm-thick sample. During this thesis progress towards the understanding and identification of the dominating type of magnetism in zinc ferrite thin films was made. In case of Zn/Al doped nickel ferrites, the growth of ferromagnetic insulators with a low magnetic damping was optimised and the thin films can now be utilised in spintronic applications. In dieser Arbeit werden die Spinellferrite, eine Materialklasse, die für photokatalytische und spintronische Anwendungen interessant ist, eingehend auf ihre strukturellen und magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Kationenverteilung untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf zwei Arten von Spinellferrit-Dünnschichten, nämlich ZnFe2O4 und Zn/Aldotiertes NiFe2O4, die in der normalen bzw. inversen Spinell-Kristallstruktur wachsen. Die Dünnschichtfilme werden durch reaktives Magnetron-Sputtern gezüchtet und mit integralen Techniken wie Röntgenbeugung, Magnetometrie mit supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUID) und ferromagnetischer Resonanz mit einem herkömmlichen X-Band Aufbau und einem Vektornetzwerkanalysator untersucht. Darüber hinaus werden die elementselektiven Techniken Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie, elastische Rückstreudetektionsanalyse, Röntgenabsorptionsspektroskopie und magnetischer Röntgenzirkulardichroismus eingesetzt. Zinkferrit-Dünnschichtgfilme werden untersucht, um die bisher nicht eindeutigen Befunde bezüglich der dominierenden Art des Magnetismus zu klären. Die Analyse zeigt, dass die magnetischen Eigenschaften stark von der Sputterleistung, d.h. der Abscheiderate von Probenserien abhängen, die auf zwei verschiedenen Substraten gewachsen sind. Ein Hinweis auf ein spinglasähnliches Verhalten findet sich für hohe Abscheideraten unter Verwendung typischer Messverfahren eines SQUID-Magnetometers. Zn/Al-dotierte Nickelferrite werden als magnetischer Isolator mit geringer magnetischer Dämpfung gesucht. Die Untersuchung der Zn/Al-dotierten Nickel-Ferrit-Dünnschichtfilmen gliedert sich in zwei Hauptteile. Der erste Teil befasst sich mit der Kationenverteilung durch den Vergleich einer Zn-armen mit einer Zn-reichen Probe. Es wird eine starke Abhängigkeit der strukturellen und magnetischen Eigenschaften von der Kationenverteilung festgestellt. Die Veränderungen im Zn-Gehalt wirken sich stark auf die magnetische Dämpfung und den g-Faktor aus. Darüber hinaus führt die Förderung von Streuzentren durch A/B-Unordnung zu Zweimagnonenstreuung. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der systematischen Variation des Zn- und Al-Gehalts, da die Anpassung der Stöchiometrie vielversprechend erscheint. Drei verschiedene Probenserien, nämlich die Zn-Serie, die Al-Serie und die Dicken-Serie werden im Detail untersucht. Bei der Zn-Serie zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Linienbreite, und es wurde festgestellt, dass ein niedriger Zn-Gehalt zu den besten Ergebnissen führt. Die Al-Reihe zeigt, dass eine Abweichung von der idealen Konzentration der Zn-Reihe entweder die Koerzitivfeldstärke oder die Curie-Temperatur beeinflusst, welche entscheidende Eigenschaften bei der Suche nach weichmagnetischen Isolatoren mit einer geringen magnetischen Dämpfung bei Raumtemperatur sind. Darüber hinaus wird in der Dickenreihe die niedrigste magnetische Dämpfung für eine 25 nm-dicke Probe gefunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Fortschritte beim Verständnis und der Identifizierung des dominierenden Magnetismus in dünnen Zinkferritschichten erzielt. Im Falle von Zn/Al-dotierten Nickelferriten wurde das Wachstum ferromagnetischer Isolatoren mit geringer magnetischer Dämpfung optimiert und die Dünnschichtfilme können nun in spintronischen Anwendungen genutzt werden. submitted by Julia Lumetzberger Dissertation Universität Linz 2022

In dieser Diplomarbeit wurden Unterrichtsmaterialien zum Thema Magnetismus für die Sekundarstufe II ausgearbeitet. Hierbei wurde im Hinblick auf die Coronapandemie vor allem Wert daraufgelegt, dass die Unterrichtsmaterialien für den Hybrid-Unterricht oder das Homeschooling geeignet sind. Vorrangig wurde mit Erklärvideos und Simulationen gearbeitet um die Grundlagen des Magnetismus, die Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern, das Magnetfeld einer Spule, die Lorentzkraft und die Induktion für Schüler und Schülerinnen zur selbstständigen Erarbeitung zu Hause bereitzustellen. Zu allen Arbeitsblättern gibt es ausgearbeitete Lösungen, eine Auflistung der Kompetenzen, die die einzelnen Aufgaben abprüfen und eine ausführliche Erklärung für Lehrpersonen. Überprüft werden die Kenntnisse der Schüler und Schülerinnen mit einem Kreuzworträtsel und einem Quiz, dass sich auf der kahoot-Website findet. submitted by Lisa-Maria Süß Diplomarbeit Universität Linz 2022 Arbeit auf den öffentlichen PCs in den Bibliotheken der JKU+Medizin abrufbar

Rare earth nickel dicarbides, RNiC2, display various aspects of fundamental interest: a noncentrosymmetric, orthorhombic parent crystal structure and a quasi-one-dimensional electronic structure, which gives rise to commensurate as well as incommensurate charge density wave (CDW) transitions. A CDW transition is an instability of the lattice and the electronic band structure, which is characterized by a periodic lattice distortion accompanied by the opening of additional energy band gaps. RNiC2 compounds show a variety of rare earth magnetic ground states reaching from simple ferromagnetism to complex antiferromagnetic states, where the specific state is strongly determined by crystalline electric field effects. Most interestingly, these magnetic, electronic and lattice degrees of freedom appear to be interconnected as e.g. revealed for SmNiC2, where the suppression of the CDW within the ferromagnetically ordered ground state motivated a large number of studies in literature.The main focus of the present thesis is to reveal details of the magnetic ground state of TmNiC2 due to crystalline electric field effects as well as anisotropic transport properties and a characterization of its orthorhombic to commensurate CDW transition. For this purpose, two TmNiC2 single crystals were grown and prepared for x-ray diffraction, heat capacity, magnetic and transport studies and polycrystalline material was provided for inelastic neutron studies. Crystalline electric field parameters and the magnetic energy level splitting were evaluated via simultaneous fitting of single crystal inverse susceptibility, heat capacity, and inelastic neutron data and revealed a quasi-dublet ground state of TmNiC2 which is well separated by more than 20 meV from excited states. The CDW state of TmNiC2 was characterized through the combination of thermodynamic and transport studies, which revealed the transition temperature to be 375 (3) K. Close similarities to transport features of LuNiC2 are discussed. In addition to TmNiC2, three further members of the RNiC2 family have been studied. Measurements of single crystalline GdNiC2 revealed distinct changes of the paramagnetic Curie temperature in each charge density wave state and the anisotropic behavior of GdNiC2 was discussed via simulations of dipole-dipole interaction as well as RKKY interaction. Finally, PrNiC2 and HoNiC2 were investigated, where for PrNiC2 a highly anisotropic electrical resistivity with, however, nearly temperature independent anisotropy is observed. For HoNiC2, an additional magnetic spin-reorientation transition at 2.2 K is detected and analyzed by magnetic susceptibility studies.

Magnetic vortices are fundamental topologically protected magnetic structures which have evolved into a large and intense field of research and hold promise for future technological applications. The fundamental frequency of the magnetic vortex in a disk is directly proportional to the magnitude of the local saturation magnetization and individual sample design resulting in a single vortex precession frequency. Commercial applications like RF oscillators in wireless transmitters and receivers, however, require tuning of the output frequency by external parameters, such as applied fields or spin-polarized currents. It is shown here that the limited tunability of a magnetic vortex in a permalloy disk can be lifted when submitted to local chromium ion implantation by introducing areas in the disk with different saturation magnetization. A static magnetic field is applied to displace the vortex core between these two regions to enable detection of different frequencies corresponding to the respective regions. This realization of multiple resonance frequencies in one and the same magnetic disk is shown experimentally via electrical detection exploiting anisotropic magnetoresistance effects and the results are supported by micromagnetic simulations. In the experiments presented here, the gyrotropic mode is excited at resonance with spin-polarized alternating currents. Systematic investigations (in terms of excitation amplitude, external static field amplitude, angle between static field and current) on the disks without chromium ion implantation clearly indicate that the vortex core is driven by a combination of Oersted field and spin-torque. These measurements also help to identify the linear and non-linear regions of vortex dynamics electrically on single disks. The results shown in this work pave the way for enabling highly tuneable wireless transmitters and receivers based on magnetic vortex structures.