Abteilungen

Die Abteilung Theorie der elektronischen Struktur befasst sich mit der Entwicklung von Ab-initio-Methoden, um korrelierte Elektronensysteme zu behandeln, und verwendet dazu Methoden der Quantenchemie und Quanten-Monte-Carlo-Methoden. Dies beinhaltet full configuration interaction quantum Monte Carlo (FCIQMC), Dichtematrix-Renormierungsgruppentheorie und Vielteilchen-Störungstheorie. Methoden dieser Art sind nötig, um physikalische Systeme, deren Wellenfunktionen für den Grund- und die Anregungszustände stark multireferenziell sind (d. h. nicht mittels Mean-Field-Näherungen akkurat beschrieben werden können) und die ein hohes Maß an Flexibilität bezüglich des Basissatzes benötigen, mit hoher Genauigkeit zu lösen. Kürzlich wurden methodologische Fortschritte in der Implementierung eines spin-angepassten FCIQMC-Algorithmus' erzielt, der auf dem Graphical-Unitary-Group-Formalismus basiert. Dieser erlaubt die Simulation von Systemen in niedrigen Spinzuständen mit offenen Elektronenschalen. Beispiele für solche Systeme, die im Moment in unserer Gruppe untersucht werden, sind polynukleare Übergangsmetallkomplexe wie [FeS]- und [MnO]-Cluster, die eine wichtige Rolle in biologischen Systemen spielen, sowie Festkörpersysteme wie Kuprate und Nickelate. Wir untersuchen außerdem transkorrelierte Methoden, bei denen die Wellenfunktion unter Verwendung von Realraum-Jastrow-Faktoren faktorisiert wird, was mittels einer Ähnlichkeitstransformation zu nicht-hermiteschen Hamilton-Operatoren führt. Wir konnten zeigen, dass solche Hamilton-Operatoren mit dem ähnlichkeitstransformierten FCIQMC-Algorithmus behandelt werden können. Transkorrelierte Wellenfunktionen können dynamische Korrelation und Sprungbedingungen über explizite Zweikörper- (Elektron-Elektron) und Dreikörperterme (Elektron-Elektron-Kern) im Jastrow-Faktor beschreiben, während statische Korrelation effizient im Rahmen des multireferenziellen Ansatzes von FCIQMC behandelt werden kann. Es ist unser Ziel, Transkorrelation auf stark korrelierte Systeme hin zu erweitern, was es erlauben würde, Systeme dieser Art, bei denen sowohl statische als auch dynamische Korrelation vorliegt, akkurat und effizient zu beschreiben. mehr

In der Abteilung Festkörper-Spektroskopie werden Struktur und Dynamik hochkorrelierter elektronischer Materialien mithilfe von spektroskopischen Techniken und Streumethoden untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei derzeit die Wechselwirkung zwischen Ladungs-, Orbital- und Spin-Freiheitsgraden in Übergangsmetalloxiden, der Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung sowie die Kontrolle des elektronischen Phasenverhaltens in Metalloxid-Übergittern. Die Herstellung hochwertiger Einkristalle und epitaktischer Dünnschicht-Strukturen erfolgt in enger Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen am Institut. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Abteilung verwenden ein breites Spektrum experimenteller Methoden inklusive elastischer und inelastischer Röntgen- und Neutronenstreuung, Spinecho-Spektroskopie mit Neutronen, Ramanstreuung sowie spektrale Ellipsometrie. Die Abteilung betreibt mehrere Strahllinien am Forschungsreaktor FRM-II in Garching und am Synchrotron PETRA-III in Hamburg. Die Analyse und Interpretation der spektroskopischen Daten erfolgt in enger Zusammenarbeit mit einer in die Abteilung integrierten Theoriegruppe und mit Theorie-Abteilungen am Institut. mehr

Nanowissenschaften und Nanotechnologie sind die zentralen Forschungsthemen der Abteilung mit dem "bottom-up" Paradigma als Leitgedanke. Ziel der interdisziplinären Forschung an der Nahtstelle von Physik, Chemie und Biologie ist das Verständnis und die Kontrolle von Materie auf atomarer und molekularer Ebene. Das mikroskopische Verständnis liefert die Basis für das Design von Nanosystemen, die einerseits durch Quanteneigenschaften bestimmt werden und sich andererseits am Vorbild der belebten Natur orientieren. mehr

Die Abteilung Nanochemie beschäftigt sich mit der rationalen Synthese neuer multifunktionaler Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften durch Kombination von Methoden der Festkörperchemie, Molekülchemie und Nanochemie. Durch Kontrolle der atomaren, Nano- und Mikrostruktur entstehen hierarchisch strukturierte Materialien mit neuen Eigenschaftsprofilen, deren Struktur-Eigenschafts-Aktivitäts-Beziehungen wir mit Hilfe moderner Beugungs-, Spektroskopie- und Mikroskopiemethoden untersuchen. Durch Kombination der klassischen Festkörpersynthese, "Chimie Douce" und gerichteten Selbstorganisation erarbeiten wir neue Zugänge zu molekularen Netzwerken, porösen Gerüstverbindungen, funktionalen anorganischen und Quantenmaterialien sowie photonischen Nanostrukturen für Anwendungen in der (photo)elektrochemischen Energiekonversion, elektrochemischen Energiespeicherung und Sensorik. mehr

Die Abteilung Physikalische Festkörperchemie befasst sich mit der Physikalischen Chemie des Festkörpers, insbesondere mit Chemischer Thermodynamik, Transporteigenschaften und Chemischer Kinetik. Das Hauptanliegen gilt dabei der Ionenleitung und der Defektchemie. Die mobilen Ladungsträger und gleichzeitig die entscheidenden inneren Säure-Base- oder Redoxzentren sind Punktdefekte; so ist die Aufklärung der Defektchemie nicht nur für elektrochemische Eigenschaften entscheidend, sondern auch für die Kinetik chemischer und elektronischer Vorgänge. Ein besonderes Augenmerk gilt den inneren und äußeren Grenzflächen. Durch Wechselwirkung mit angrenzenden gasförmigen, flüssigen oder festen Phasen stellen sich dort stark veränderte Ladungsträgerkonzentrationen ein. Bei nanostrukturierten Materialien erfassen diese Phänomene das gesamte Material und führen zu bemerkenswerten (elektro)chemischen Größeneffekten. Die zentralen Fragen in diesem Zusammenhang sind: Können wir – bei gegebenem Material, gegebenen Kontrollparametern und gegebener Triebkraft – die Konzentration, Beweglichkeit und Reaktivität der ionischen Ladungsträger messen, verstehen oder sogar vorhersagen? Was sind die grundlegenden Mechanismen des Ionentransfers? Wie kann das Wissen darüber dazu dienen, gezielt Materialeigenschaften zu verändern und diese für Anwendungen einzusetzen? Die Erforschung fundamentaler Transport- und Reaktionsmechanismen ist die Basis für ein besseres Verständnis bestehender sowie die Konzeption neuartiger elektrochemischer Devices im Bereich von Energieumwandlung, -speicherung und Sensorik. Aktuelle Beispiele betreffen die Konzeption und Verifizierung neuer anorganischer und organischer Elektrolyte oder die zielgerichtete Verbesserung von Elektroden von Brennstoffzellen oder Lithiumbatterien, Untersuchungen zur Wirkungsweise von Phototelektroden sowie die Erprobung neuer Speicher- oder Sensorprinzipien. Als Untersuchungsmethoden werden eine Vielzahl elektrochemischer und spektroskopischer Techniken eingesetzt, wobei Messungen unter in-situ-Bedingungen (z.B. hohe Temperaturen, verschiedene Gasatmosphären) und/oder mit Ortsauflösung von besonderer Bedeutung sind. Die Modellierung erfolgt auf phänomenologischem und atomistischem Niveau. mehr

Schichtstrukturen aus Quantenmaterialien eröffnen faszinierende Möglichkeiten zur Realisierung neuartiger Elektronensysteme. Aufgrund fundamentaler quantenmechanischer Effekte können diese Systeme Eigenschaften aufweisen, die sonst in der Natur nicht zufinden sind. Die Integration dieser Systeme in Quantenbauelemente und ihre Erforschung ist der Schwerpunkt der Abteilung Festkörper-Quantenelektronik.
Wir stellen diese Bauelemente mit fortschrittlichen Epitaxietechniken wie der thermischen Laserepitaxie her, bei der wir zusammen mit unserem Spin-off-Unternehmen "Epiray" Pionierarbeit leisten. Komplexe Verbindungen werden mit atomarer Präzision abgeschieden und auf der Nanoskala strukturiert.
Unsere Forschung zielt darauf ab, die grundlegende Physik von Quantenbauelementen zu entschlüsseln, die an der Grenze der Quantenwelt operieren. Wir sind bestrebt, das Potenzial dieser Bauelemente zu verstehen, die bisher akzeptierten fundamentalen Grenzen der Energiegewinnung und Elektronik zu überwinden. mehr

In der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme werden elektronische Eigenschaften von Festkörpern berechnet. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei solche Systeme, bei denen elektronische Korrelationen eine wesentliche Rolle spielen, wie zum Beispiel Kuprat-Hochtemperatur-Supraleiter und andere Übergangsmetalloxide. Korrelationen können Magnetismus, orbitale oder Ladungsordnung sowie Supraleitung verursachen. Neben symmetriebrechenden Phasenübergängen gibt es eine Reihe anderer charakteristischer Korrelationseffekte, die nicht durch die Näherung unabhängiger Elektronen erfasst werden. Die derzeitige Forschung richtet sich besonders auf unkonventionelle Supraleiter und topologische Quantenmaterialien. Neben Bulk-Eigenschaften ein-, zwei- und dreidimensionaler Systeme werden auch Oberflächenzustände topologischer Isolatoren und Halbmetalle, sowie Probleme mit einer mesoskopischen Längenskala untersucht, insbesondere Quantenpunkte und Quantendrähte. Das Korrelationsproblem wird mit verschiedenen numerischen und feldtheoretischen Techniken angegangen: exakte Diagonalisierung, Dichtematrix-Renormierungsgruppe, dynamische Mean-Field-Theorie und funktionale Renormierungsgruppe. Moderne Quantenvielteilchen-Methoden werden in der Abteilung nicht nur angewandt, sondern auch weiterentwickelt. mehr

Quantenmechanische Korrelationen in Festkörpern führen im Zusammenspiel mit besonderen Eigenschaften der Kristallstrukturen zu einer erstaunlichen Vielfalt neuer elektronischer Phasen mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Bezüglich der Ladungsverteilung, Spinanordnung und Orbitalbesetzung können diese Phasen zum Beispiel flüssigen, flüssigkristallinen oder kristallinen Zuständen entsprechen. Die komplexen Freiheitsgrade dieser elektronischen Phasen und ihr subtiles Zusammenspiel führen oftmals zu unvorhergesehenen, neuartigen Funktionalitäten. In der Abteilung werden diese neuen, interessanten Phasen insbesondere in Übergangsmetall-Oxiden und vergleichbaren Verbindungen untersucht. Bedingt durch die Kombination von außerordentlicher chemischer Vielfalt und starken Effekten der Elektronenkorrelation in den dominierenden d-Bändern sind sie vielversprechende Kandidaten für die Entdeckung neuer Materialien mit ungewöhnlichen elektronischen Zuständen, die beispielsweise Phänomene wie Supraleitung oder gute thermoelektrischen Eigenschaften zeigen. Physikalische Untersuchungen mit den verschiedensten Methoden haben zum Ziel, die Mechanismen aufzudecken und zu verstehen, die diesen neuartigen funktionellen Eigenschaften zugrunde liegen. mehr