Abteilungen

Die neue Theorie-Abteilung unter der Leitung von Ali Alavi befasst sich mit der Entwicklung von Ab-initio-Methoden für die Anwendung auf korrelierte Elektronensysteme. Unser besonderes Interesse gilt stochastischen Algorithmen, mit denen sich Fermionensysteme, insbesondere Schrödinger-Gleichungen in molekularer sowie in Festkörperumgebung untersuchen lassen. Dazu hat unsere Gruppe als erste die Full Configuration Interaction-Quanten-Monte-Carlo-Methode angewandt. Diese löst das Eigenwertproblem für den Grundzustand mithilfe einer Populationsdynamik von walkers in einem geeigneten Hilbertraum (üblicherweise einem Slater-Determinanten-Raum). Das Besondere bei dieser Methode ist, dass sie deutlich weniger Speicherplatz benötigt als andere exakte Methoden und damit vielversprechende Möglichkeiten eröffnet, realistische korrelierte Systeme zu untersuchen, die zur Zeit noch in weiter Ferne liegen. Die Weiterentwicklung dieser Methode verfolgen wir intensiv in verschiedene Richtungen, wie z. B. die Berechnung von angeregten Zuständen und von Dichtematrizen, außerdem verbinden wir sie mit anderen quantenchemischen Techniken, z. B. mit der CASSCF-Methode und perturbativen Techniken. Wir verfolgen auch parallele Entwicklungen mithilfe von Matrix-Produkt-Zuständen (MPS) und versuchen den MPS-Ansatz mit FCIQMC zu kombinieren.

Bei den Anwendungen interessieren uns vor allem Systeme mit multiplen d-Zentren, einschließlich der 3d-Übergangsmetall-Dimere wie Cr₂, z. B. Übergangsmetall enthaltende Porphyrin-Systeme. Bei den Festkörpern untersuchen wir intensiv Modelle von Cupraten und die Übergangsmetall-Monooxide wie z. B. NiO und andere 3d-TMOs mit dem Ziel, die antiferromagnetische Vielelektronen-Wellenfunktion mithilfe von CI-Expansionen möglichst effizient zu beschreiben. Am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung arbeiten wir mit mehreren experimentellen Abteilungen (z. B. Nanowissenschaften und Festkörper-Spektroskopie) zusammen.

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. 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 an Institut.

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.

Die gezielte Herstellung komplexer Materialien aus nanoskopischen Bausteinen, die nur wenig größer sind als ein Molekül, ist eine wesentliche Errungenschaft der Nanochemie. Die tiefgreifende Veränderung des Eigenschaftsprofils von Materialien durch Aufprägung einer Nanostruktur eröffnet dabei neue Zugänge zur rationalen Synthese multifunktionaler Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. In der Arbeitsgruppe von Professor Lotsch werden moderne Verfahren der Nanochemie mit klassischen Methoden der Festkörpersynthese kombiniert, um neue Materialien mit vielfältigen Eigenschaftsprofilen zu entwickeln, darunter zweidimensionale Systeme und deren Heterostrukturen, hochporöse Materialien, und Festelektrolyte für Anwendungen in der (Photo)Katalyse, Sensorik, und in Feststoffbatterien. Im Zentrum unserer Forschung steht die Entwicklung nachhaltiger Materiallösungen für die Energiekonversion und -speicherung, geleitet durch die Erkenntnisse der Grundlagenforschung.

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.

Heterostrukturen von Übergangsmetalloxiden oder verwandten komplexen Materialien eröffnen faszinierende Möglichkeiten zur Realisierung neuartiger Elektronensysteme. Aufgrund fundamentaler quantenmechanischer Effekte können diese Systeme Eigenschaften aufweisen, die sonst in der Natur nicht zu finden sind. Die Konzeption, das Wachstum und die Erforschung solcher Elektronensysteme stehen im Fokus der Arbeiten der Abteilung Festkörper-Quantenelektronik. Zur Herstellung der Heterostrukturen werden optimierte Epitaxieprozesse eingesetzt, welche das Wachstum komplexer oxidischer Schichten mit atomarer Kontrolle der Schichtdicken gestatten. Die Strukturierung erfolgt mittels Rastersonden-Schreibverfahren und mit der Elektronenstrahl-Lithographie des Instituts. Die Forschungsarbeiten sind eng mit den anderen Abteilungen verknüpft. Hier sind insbesondere bei der Spektroskopie die Abteilung Keimer, bei der Defekt-Analyse die Abteilung Maier und bei Themen der Physik zweidimensionaler Elektronensysteme die Abteilung v. Klitzing und die Gruppe Smet zu nennen. Es bestehen zudem enge nationale und internationale Kooperationen. Ein wichtiges Ziel der Forschung der Abteilung ist das Verständnis der physikalischen Phänomene, die das Verhalten neuartiger Elektronensysteme an Grenzflächen und Heterostrukturen komplexer Oxide prägen. Ein komplementäres Ziel ist das Erkennen ihres Potenzials zur Verwirklichung elektronischer Materialien mit gewünschten elektronischen Eigenschaften sowie zur Realisierung nanoskaliger elektronischer Bauelemente, welche quantenmechanische Effekte nutzen, um die Grenzen der heutigen Elektronik zu überwinden.

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 Kuprate, Manganate 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 Hochtemperatur-Supraleiter, mit ihrem äußerst komplexen Wechselspiel von magnetischen, supraleitenden und Ladungskorrelationen sowie auf Manganate und Vanadate, deren elektronische Eigenschaften durch orbitale, Spin- und Ladungsfreiheitsgrade bestimmt werden. Neben Bulk-Eigenschaften ein-, zwei- und dreidimensionaler Systeme werden auch Oberflächenzustände topologischer Isolatoren sowie Probleme mit einer mesoskopischen Längenskala untersucht, insbesondere Quantenpunkte, Quantendrähte und Quanten-Hall-Systeme. Das Korrelationsproblem wird mit verschiedenen numerischen und feldtheoretischen Techniken angegangen: exakte Diagonalisierung, Dichtematrix-Renormierungsgruppe, dynamische Mean-Field-Theorie, und funktionale Renormierungsgruppe. Moderne Vielteilchen-Methoden w erden in der Gruppe nicht nur angewandt, sondern auch weiterentwickelt.

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.