Forschungsgruppen

Das Verständnis der fundamentalen, physikalischen Prozesse und die Identifikation universeller Aspekte unter ihnen ist eine nötige Voraussetzung für das Design von neuen Quantenmaterialien mit erwünschten Funktionalitäten. Unsere Gruppe untersucht das kollektive Verhalten von wechselwirkenden Elektronen, das zu den vielen faszinierenden Phasen der Materie in Quantenmaterialien führt. Wir möchten die Mechanismen erklären, die der Phasenbildung zugrunde liegen, und charakteristische Eigenschaften der verschiedenen Phasen bestimmen. Wir sind insbesondere interessiert an Situationen, in denen Anregungen der verschiedenen Phasen stark miteinander wechselwirken, so dass es unumgänglich ist ihren gegenseitigen Einfluss aufeinander zu berücksichtigen. Dies beinhaltet z. B. die Erforschung von Quantenphasenübergängen und unkonventioneller Supraleitung. Um die entscheidende Rolle der Wechselwirkungen und das Wechselspiel der verschiedenen Freiheitsgerade in diesen komplexen Situationen zu beschreiben, benutzen wir moderne, feldtheoretische Methoden mit dem Fokus auf Renormierungsgruppen-Techniken. Eine Kombination von mikroskopischen und effektiven Beschreibungen erlaubt es uns dabei, ein umfassendes Bild der korrelierten Phasen in Quantenmaterialien zu erhalten. mehr

Die Forschungsgruppe Ultraschnelle Festkörperspektroskopie ist eine gemeinsame Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und des Fachbereichs Physik der Universität Stuttgart. Wir erforschen grundlegende Fragestellungen zur Nichtgleichgewichtsdynamik in stark korrelierten Systemen oder neuartigen Quantenmaterialien. Dazu werden modernste Methoden der linearen und nichtlinearen Spektroskopie (sowohl im Labor als auch an Großforschungseinrichtungen) über einen breiten Frequenzbereich mit Zeitauflösungen bis in den Piko- und Femtosekundenbereich eingesetzt. In Kombination mit Nahfeldspektroskopie können wir solche Dynamik sogar auf der Nanoskala verfolgen. Im Rahmen des MP–UBC–UTokyo Centers für Quantenmaterialien setzen wir die von uns entwickelten Methoden auch im Impulsraum ein. Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf der lichtinduzierten Supraleitung, deren zugrunde liegende Mechanismen wir verstehen und auch gezielt kontrollieren wollen. Dazu untersuchen wir unterschiedliche Szenarien: Konkurrierende Grundzustände, die wir mit kurzen Laserpulsen beeinflussen, oder dynamisch getriebene Systeme, die wir mittels periodisch modulierten Lichtfeldern stabilisieren. Über die übliche zeitaufgelöste Abfrage des Anregungsspektrums eines Systems hinaus haben wir "Higgs-Spektroskopie" als eine neue Methode entwickelt, die es uns erlaubt direkt die kollektiven Eigenschwingungen eines kohärenten Systems selbst, wie z. B. eines Supraleiter, zu untersuchen. Letzteres komplementiert unseren Blick auf die Quantenvielteilchendynamik in korrelierten Systemen und lässt sich auf neue Quantenmaterialien anwenden: Wir können neue kohärente Grundzustände der Materie, wie z. B. sogenannte exzitonische Isolatoren eindeutig identifizieren und charakterisieren oder die Kopplungen neuer Funktionalitäten wie kollektiven Magnetismus direkt experimentell zugänglich machen. mehr

Die Forschungsgruppe Organische Elektronik entwickelt Materialien und Technologieprozesse für die Herstellung hochwertiger organischer elektronischer Bauelemente. Dazu gehören z. B. Feldeffekt-Transistoren auf der Grundlage konjugierter Kohlenwasserstoffe (z. B. Dinaphthothienothiophen), auf der Basis einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen, und auf der Grundlage halbleitender anorganischer Nanodrähte (z. B. ZnO). Im Gegensatz zu Silizium-Transistoren können diese neuartigen Transistoren auf flexiblen Polymerfolien und auf Papiersubstraten hergestellt werden. Besonderes Augenmerk liegt auf der Entwicklung und Integration qualitativ hochwertiger molekularer selbstorganisierender Monolagen. Dabei handelt es sich um extrem dünne organische Schichten, die sich spontan auf funktionalisierten Oberflächen bilden und durch extrem hohe Packungsdichten gekennzeichnet sind. Es werden Materialien und Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, selbstorganisierende Monolagen als Isolatorschichten in diversen Feldeffekt-Transistoren und in integrierten Schaltkreisen einzusetzen und so den Energieverbrauch dieser Bauelemente und Schaltungen drastisch zu reduzieren. Weiterhin wird der Einsatz selbstorganisierender Monolagen für die Herstellung neuartiger Hybrid-Nanostrukturen mit interessanten mechanischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften untersucht. mehr

Materialien mit stark korrelierten Elektronen gehören zu den interessantesten Bereichen moderner Forschung der Physik der kondensierten Materie. Einerseits trifft man in diesen Materialien auf faszinierende Phänomene wie Quantenkritikalität und Hochtemperatursupraleitung mit teils hohem Potential für Anwendungen. Andererseits ist die quantenphysikalische Beschreibung solcher Effekte offenes Terrain, besonders auf der fundamentalen Erkenntnisebene. In der Forschungsgruppe “Theorie der stark korrelierten Quantenmaterie” wird versucht, die Grenzen dieses fundamentalen Verständnisses mithilfe von modernsten numerischen quantenfeldtheoretischen Methoden zu erweitern. Im Speziellen wird die Forschungsgruppe quantenkritische Systeme, Hochtemperatursupraleiter, Mott-Isolatoren und magnetisch frustrierte Systeme, sowohl auf der Modellebene (Hubbardmodell, periodisches Andersonmodell) als auch auf der materialorientierten Ebene (Schwerfermionensysteme, Kuprate, organische Systeme), untersuchen. mehr

Die Festkörper-Nanophysik Gruppe untersucht das breite Spektrum von Zuständen, welche von Elektronen aufgrund von Korrelations- und Wechselwirkungseffekten zwischen ihren Spin- und Ladungsfreiheitsgraden eingenommen werden, wenn die Elektronen in einer oder mehrerer ihrer räumlichen Dimensionen auf der Nanometerskala eingeschränkt sind. Transport sowie optische Eigenschaften werden erfasst, wobei eine Kombination aus lokalen Messmethoden, tiefen Temperaturen, hohen Magnetfeldern und die Einstrahlung von hohen Frequenzen eingesetzt wird. Die räumliche Einschränkung der Elektronen kann entweder in III-V Heterostrukturen künstlich erzeugt werden oder es werden spezielle Kristallsysteme verwendet, welche von vornherein nur eine Ausdehnung in zwei Dimensionen aufweisen. Beispiele hierfür sind Graphen und Molybdendisulfid oder allgemein Materialien mit zweidimensionaler Schichtstruktur und einer nur schwachen Bindung zwischen den einzelnen Schichten. Auf der Suche nach neuen Funktionalitäten und Wechselwirkungseffekten werden darüber hinaus Hybridstapel von diesen zweidimensionalen Kristallen, sogenannte van der Waals-Heterostrukturen, produziert und erforscht. mehr