Quantenphasenübergänge und kritische Phänomene in Graphen

• Antragsteller: Dr. Lukas Janssen
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230831376

Graphen steht für eine neuartige Klasse von Materialien, deren elektronische Struktur es ermöglicht, die faszinierende Physik relativistischer Fermionen in Table-Top-Experimenten zu untersuchen. In der sogenannten Ein-Teilchen-Näherung, bei der die Anregungen als nicht-wechselwirkende Teilchen beschrieben werden, wurde in der Vergangenheit ein bedeutender Fortschritt im Verständnis der elektronischen Eigenschaften Graphens erzielt. Jüngste Experimente zeigen jedoch, dass diese Beschreibung nicht mehr ausreichend ist und Wechselwirkungen zwischen den Elektronen wesentliche Beiträge zur Physik liefern. Für genügend starke Wechselwirkungen erwartet man einen Übergang zu einer Mott-isolierenden Phase, ganz ähnlich zur spontanen Brechung der chiralen Symmetrie in der Teilchenphysik. In diesem Sinne kann Graphen als Versuchslabor für stark korrelierte Fermionsysteme dienen: Graphen erlaubt es, neuartige feldtheoretische Zugänge zu testen, zu verbessern und mit den Messungen zu vergleichen. Ziel des Projekts ist ein umfassendes Verständnis sowie die quantitative Beschreibung der Quantenphasenübergänge in Graphen mit Hilfe moderner Renormierungsgruppenmethoden wie der funktionalen Renormierungsgruppe. Basierend auf einer systematischen Klassifizierung kurzreichweitiger Wechselwirkungen hinsichtlich ihrer Symmetrie wird eine effektive Niederenergietheorie für Graphen abgeleitet. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei den Effekten der langreichweitigen Coulomb-Wechselwirkung gewidmet. In einem zweiten Schritt wird mithilfe von partieller Bosonisierung das kritische Verhalten des Systems in der Nähe des Phasenübergangs untersucht. Der dritte Teil des Projektes beschäftigt sich mit der Analyse isolierender Phasen in Graphen und verwandten Systemen in verschiedenen Dimensionen. Dazu zählen insbesondere Anregungen mit nichttrivialer Topologie, welche möglicherweise für den Phasenübergang eine entscheidende Rolle spielen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor Dr. Igor Herbut