Design stark korrelierter Materialien

• Antragsteller: Dr. Frank Lechermann
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325300529

Die Aspekte des Materialdesigns erlangen zunehmend über die Möglichkeiten effektiver Einteilchentheorien hinaus Relevanz. Daher zielt dieses Projekt auf die Verbindung der Materialwissenschaft mit der Vielteilchentheorie des Festkörpers ab. Flukturierende lokale Momente, der Effekt endlicher Lebensdauern oder komplizierter Übertrag spektralen Gewichts gehören zu Phänomenen, welche in zukünftigen Materialien berücksichtigt und zugeschnitten werden müssen. Wir werden diese Problematik mit effizienten und leistungsfähigen Kombinationen der Kohn-Sham basierten Dichtefunktionaltheorie mit expliziten Vielteilchenmethoden wie der Dynamischen Molekularfeldtheorie und der Slave-Boson-Molekularfeldtheorie adressieren. Durch die Etablierung dieses atomistischen Vielteilchenzugangs für große Systeme, können neuartige Hybridmaterialien mit hohem technologischem Potenzial und gründend auf ausgeprägtem Quantenvielteilchencharakter theoretisch entworfen werden. Wir konzentrieren uns auf die Optionen zur quantenmechanischen Konstruktion von oxidischen Heterostrukturen sowie korrelierten Oxidoberflächen. Grenzflächen zwischen Band- und/oder Mott-isolierenden Verbindungen werden in unterschiedlichen Geometrien und verschiedenen Dotierungen dargestellt. Variierende d-Schalen-Valenzen und verschiedenartige Kristallstrukturen werden zusammengefügt, um neue Phasen und konkurrierende Ordnungen zu studieren. Elektronische Rekonstruktionen und Modifikationen der Korrelationen an Oberflächen und in dünnen Filmen sind ein weiterer Fokus. Zu den untersuchten Materialklassen gehören Titanate, Vanadate und Chromoxide im Bereich der Mott-kritischen Systeme, und SrTiO3, TiO2 und ZnO aus dem Bereich der Bandisolatoren. Erweiterte Untersuchungen hin zu 4f-Verbindungen sind ebenso geplant. Durch Störung der idealen Grenz- und Oberflächen mittels Punktdefekten, Verzerrungen oder elektromagnetischen Feldern werden die Konstruktionsoptionen vielfältiger und weiteres, tieferes Verständnis wird gewonnen. Spin-Bahn-Kopplungseffekte auf die Ausbildung von Ordnungen sowie deren Zusammenspiel mit elektronischen Korrelationen werden untersucht. Erwartet werden neue Mechanismen für Mott-kritisches Verhalten oder Metamagnetismus, beispielsweise in Ruthanaten oder Iridaten. Desweitern ist das Studium unterschiedlicher Transportbereiche von großer Bedeutung für das Materialdesign. Aus diesem Grund werden wir das temperaturabhängige Widerstandsverhalten, die Thermoelektrik und die optische Leitfähigkeit erforschen. Ziel ist das Auffinden unkonventionellen Transports, etwa von Nicht-Fermi-Flüssigkeiten, sowie dessen Optimierung und mögliche Nutzbarmachung. Weiteres Augenmerk wird auf den Möglichkeiten zur Darstellung neuer Heterostrukturen bestehend aus Oxiden und quasi-zweidimensionalen Halbleitern oder Graphen-artigen Systemen liegen. Vorhersage von Bandlücken, Leitfähigkeiten oder Korrelationseffekten bietet dort Spielraum für faszinierende, neuartige Materialphysik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen