Low Temperature Capacitive Dilatometry on Quadrupolar Kondo Metals

The quadrupole Kondo effect describes an exotic state of matter that is related to non-Fermi liquid behavior and residual entropy. A promising class of materials to explore this unconventional hybridization phenomenon is the group of cubic Pr-based 1-2-20 systems with a quadrupolar non-Kramers ground state doublet. Even though the thermodynamic characteristics of the quadrupole Kondo effect have been theoretically well established, it is yet unknown how the effect manifests itself in the thermal expansion, magnetostriction and Grüneisen ratio. In order to uncover a possible link between aforementioned thermodynamic probes and the quadrupole Kondo effect, this thesis focuses on low temperature dilatometric measurements on the quadrupole Kondo lattice PrIr2Zn20 and the single-impurity quadrupole Kondo candidate material Y1-xPrxIr2Zn20

Field evolution of the spin-liquid candidate YbMgGaO4

We report magnetization, heat capacity, thermal expansion, and magnetostriction measurements down to mK temperatures on the triangular antiferromagnet YbMgGaO$_4$. Our data exclude the formation of the distinct $\frac13$-plateau phase observed in other triangular antiferromagnets, but reveal plateau-like features in second derivatives of the free energy, magnetic susceptibility and specific heat, at $\mu_0H$ = 1.0 - 2.5 T for $H\parallel{}c$ and 2 - 5 T for $H\perp{}c$. Using Monte-Carlo simulations of a realistic spin Hamiltonian, we ascribe these features to non-monotonic changes in the magnetization and the $\frac12$-plateau that is smeared out by the random distribution of exchange couplings in YbMgGaO$_4$

Analyse der Rauschmechanismen von Photodetektoren aus InAs/GaSb Übergittern für den infraroten Spektralbereich

Die Detektion von CO2 und damit die Veranschaulichung von Emissionsvorgängen wird durch bildgebende Technologien für den infraroten Spektralbereich ermöglicht, da sich spezifische Absorptionscharakteristika des CO2 in diesem Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums befinden. Dafür geeignete Kamerasysteme bestehen aus den in dieser Arbeit untersuchten Detektorelementen. Die Detektorelemente basieren auf dem Materialsystem InAs/GaSb-Übergitter, welches, bedingt durch die zusätzlich zur Kristallstruktur bestehenden Periodizität, eine künstlich geschaffene, variabel einstellbare Bandlückenenergie aufweist. Das Rauschverhalten des Dunkelstroms dieses auf Quantisierungseffekten beruhenden Materialsystems ist noch weitgehend unerforscht, weshalb die Analyse der Detektoren aus InAs/GaSb Übergittern in erster Linie darauf abzielt, ein physikalisches Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen des Eigenrauschens zu entwickeln. Das Rauschen eines Detektors beschreibt die natürlichen Fluktuationen des Stroms, der durch den Detektor fließt. Daher wird das Rauschen in Abhängigkeit von der Frequenz und als Funktion des Dunkelstroms untersucht. Das von Avalanchedioden bekannte Modell des Verstärkungsrauschens lässt sich auf das experimentell gefundene Eigenrauschen der InAs/GaSb Übergitterdetektoren applizieren. Dies beinhaltet die Annahme, dass durch Materialdefekte getragene Verstärkungen an lokalen Felderhöhungen zum zusätzlich zum Schrotrauschen beobachteten Rauschen führen. Des Weiteren wurde ein auf dem Quanten-1/f-Rauschen basierendes Modell zur Beschreibung des 1/f-Rauschens eingeführt. Detektormatrizen von Kamerasystemen für den infraroten Spektralbereich bestehen typischerweise aus mehr als 105 einzelnen Detektorelementen. Um die Qualität des Materials und dessen flächige Homogenität abschätzen zu können, muss eine geeignete Stichprobengröße an Detektoren charakterisiert werden. Daher wurde eine Methodik entwickelt, welche die statistische Analyse einer großen Anzahl an Detektorelementen bezüglich des Dunkelstroms und der Responsivität erlaubt. Durch die Verknüpfung der experimentell gefundenen Beschreibung des Eigenrauschens von InAs/GaSb-Übergitterdetektoren mit der entwickelten Methodik zu deren statistischer Analyse, lässt sich eine Prognose über die zu erreichende Materialqualität der InAs/GaSb-Übergitter und deren Verwendbarkeit für Kamerasysteme abgeben

Photodetector development at Fraunhofer IAF. From LWIR to SWIR operating from cryogenic close to room temperature

Photodetectors in the non-visible region of the electromagnetic spectrum are essential for security, defense and space science as well as industrial and scientific applications. The research activities at Fraunhofer IAF cover a broad range in the infrared (IR) regime. Whereas short-wavelength IR (SWIR, <1.7 μm) detectors are realized by InGaAs/InP structures, InAs/GaSb type-II superlattice (T2SL) infrared detectors are developed for the spectral bands from mid- (MWIR, 3-5 μm) to long-wavelength IR (LWIR, 8-12 μm). We report on the extension of the superlattice empirical pseudopotential method (SEPM) to 300 K for the design of LWIR heterostructures for operation near room temperature. Recently, we have also adapted heterostructure concepts to our well established bi-spectral T2SL MWIR detector resulting in a dark current density below 2 × 10-9 A/cm2 for a cut-off wavelength close to 5 μm. Finally, we present first results obtained with a gated viewing system based on our InGaAs/InAlAs/InP avalanche photodiode arrays