Forschungsgruppen

Der Schwerpunkt dieser Minerva Forschungsgruppe liegt in der experimentellen Untersuchung von Dünnfilmen, Multilagen und Übergittern starkkorrelierter Übergangsmetalloxide. Wir nutzen Röntgenabsorptionsmessungen und Röntgenstreuung zur Untersuchung von strukturellen, magnetischen, orbitalen und Ladungsrekonstruktionen in ultradünnen Schichten. Insbesondere konzentriert sich unsere Forschung auf Ordnungsphänomene an Grenzflächen in Nickeloxid-Übergittern der Zusammensetzung RNiO₃−RXO_3-d, (R = Seltenerdion, X = Al, Sc, Ga und d = 0 – 1), sowie Heterostrukturen von Mott-isolierendem RVO₃. Mittels der fortschrittlichen Simulationsprogramme ReMagX und QUAD haben wir Analyseroutinen entwickelt, um ortsaufgelöste Orbital- und Spinprofile quantitativ zu bestimmen. Wir arbeiten eng mit der Abteilung Festkörperspektroskopie und der Technologiegruppe zusammen und kooperieren mit Gruppen des Helmholtz Zentrums Berlin sowie in den Forschungsverbünden TransRegio TRR80 und IQ^ST.

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.

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.

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.

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.