Einfluß der magnetischen Ordnung auf Supraleitung und Kristallstruktur in Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Verbindungen

Rare-earth nickel borocarbids RNi2B2C are particularly suitable for investigations on one of the most interesting problems in modern solid-state physics: these compounds display competition and coexistence of superconductivity and magnetism. Depending on the R3+ ion, the transition temperatures are in an experimentally easy accessible range of 1 K to 25 K. This thesis presents experimental studies on the interplay of both ordering phenomena. Neutron diffraction is used to determine the magnetic order and the resulting changes of the crystal structure. Experiments are performed on polycrystalline and single crystal samples in dependence on temperature and external magnetic fields. The Ni-B stoichiometry of the tetragonal RNi2B2C compounds is systematically varied and the magnetic R3+ ions are partially substituted by other magnetic or nonmagnetic R?3+ ions. The experimental results are compared with macroscopic magnetic and electrical properties. For HoNi2B2C three different magnetic structures are found in a narrow temperature range. While for two magnetic structures the Ho3+ moments are modulated along the c axis, a third magnetic structure with a modulation in a direction is observed. Both, partial substitution of Ho3+ ions and variation of the Ni-B stoichiometry, strongly modify the formation of these different types of magnetic order. The comparison with the concomitant changes of the superconducting properties yields the following scenario for HoNi2B2C-based compounds: superconductivity coexists with both magnetic structures with modulations in c direction. However, the onset of magnetic order weakens the superconductivity. For the magnetic structure with modulation along the a axis, components of the magnetic moments arise in c direction. The resulting local magnetic fields on Ni sites yield a strong suppression of the superconductivity. The observed competition between superconductivity and the magnetic structure with modulation along the a axis strongly suggests that the modification of the electronic structure due to the superconducting state influences the magnetic ordering. As a further impact of the magnetism in RNi2B2C compounds with R = Ho, Dy, Tb and Er changes of the crystal structure are investigated. Using high-resolution neutron diffraction, tetragonal-to-orthorhombic lattice distortions are found. They are induced by those magnetic structures with either parallel or anti-parallel alignement of R3+ magnetic moments. The direction of the lattice distortions, the dependence of their size on the square of the effective ordered magnetic moment and on the type of the R3+ ions indicate that the magneto-elastic interactions are determined by crystal-field effects. This fact also facilitates the elucidation of the magnetic phase diagrams by neutron diffraction experiments in external magnetic fields. For a given phase, absence or presence of magneto-elastic lattice distortions restrict the set of possible magnetic structures. For HoNi2B2C the magnetic phases reported in literature are confirmed. The experimental results for DyNi2B2C are interpreted using a simple model to determine the magnetic structures. Based on mean field calculations, the differences in the magnetic structures for increasing and decreasing magnetic fields can be understood as very strong hysteresis effects in connection with first-order phase transitions.Seltenerd-Nickel-Borkarbid-Verbindungen RNi2B2C sind bestens zur Untersuchung eines der interessantesten Probleme der modernen Festkörperphysik geeignet: Diese Substanzen weisen Konkurrenz und Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus auf, wobei die vom R3+-Ion abhängigen Übergangstemperaturen in einem experimentell gut zugänglichen Bereich von 1 K bis 25 K liegen. Die vorliegende Dissertation stellt experimentelle Arbeiten zum Wechselspiel der beiden Ordnungsphänomene vor. Für poly- und einkristalline Proben werden die magnetischen Ordnungen und resultierende Veränderungen der Kristallstruktur mittels Neutronendiffraktion in Abhängigkeit von der Temperatur und vom äußeren Magnetfeld bestimmt und mit den makroskopischen magnetischen und elektrischen Eigenschaften verglichen. Hierbei werden die tetragonalen RNi2B2C-Verbindungen gezielt in ihrer Ni-B-Stöchiometrie variiert sowie die magnetischen R3+-Ionen partiell durch andere magnetische als auch unmagnetische R?3+-Ionen substituiert. Für HoNi2B2C werden in einem engen Temperaturbereich drei verschiedene magnetische Strukturen nachgewiesen. Während in zwei magnetischen Ordnungen die Ho3+-Momente entlang der c-Achse moduliert sind, wird für die dritte magnetische Ordnung eine Modulation in a-Richtung beobachtet. Sowohl durch die partielle Substitution der Ho3+-Ionen als auch durch die Ni-B-Stöchiometrievariation wird die Ausprägung der magnetischen Strukturen stark modifiziert. Der Vergleich mit den ebenfalls veränderten supraleitenden Eigenschaften ergibt das folgende Bild für die HoNi2B2C-Verbindungen: Die Supraleitung koexistiert mit den beiden c-Achsen-modulierten magnetischen Strukturen, das Einsetzen der magnetischen Ordnung führt jedoch zu einer Schwächung der Supraleitung. Die a-Achsen-modulierte magnetische Struktur weist Momentkomponenten in c-Richtung auf, die auf Grund der resultierenden lokalen Magnetfelder an den Ni-Plätzen eine starke Unterdrückung der Supraleitung bewirken. Die beobachtete Konkurrenz zwischen der Supraleitung und der a-Achsen-modulierten magnetischen Struktur gibt andererseits einen starken Hinweis darauf, daß die Modifizierung der elektronischen Struktur im supraleitenden Zustand auf das magnetische System rückwirkt. Als weitere Auswirkung des Magnetismus kommt es in RNi2B2C-Verbindungen mit R = Ho, Dy, Tb und Er zu Veränderungen der Kristallstruktur. Mittels hochauflösender Neutronendiffraktion werden magnetisch induzierte, tetragonal-zu-orthorhombische Gitterverzerrungen für diejenigen magnetischen Ordnungen nachgewiesen, bei denen die magnetischen Momente der R3+-Ionen parallel bzw. antiparallel ausgerichtet sind. Die Richtung der Gitterverzerrung, die Abhängigkeit ihrer Größe vom Quadrat des geordneten magnetischen Momentes als auch von der Art der R3+-Ionen deuten darauf hin, daß die magneto-elastischen Wechselwirkungen durch Kristallfeldeffekte bestimmt werden. Diese Einsicht unterstützt auch die Aufklärung der magnetischen Phasendiagramme mittels magnetfeldabhängiger Neutronenbeugungsexperimente. Für eine magnetische Phase schränkt das Auftreten bzw. Fehlen der magneto-elastischen Effekte die Vielfalt der möglichen magnetischen Strukturen ein. Die aus der Literatur bekannten magnetischen Phasen von HoNi2B2C werden bestätigt. Für DyNi2B2C werden die experimentellen Ergebnisse unter Nutzung eines einfachen Modelles interpretiert und die magnetischen Strukturen bestimmt. Anhand von Molekularfeldrechnungen können die Unterschiede in den magnetischen Strukturen für ansteigendes und für abnehmendes Magnetfeld als sehr starke Hystereseeffekte in Zusammenhang mit Phasenübergängen erster Ordnung gedeutet werden