Anomale Elastizität: von Phasenübergängen bis zu flexibler Elektronik

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Schmalian
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429701487

Das Hauptziel des Projekts ist die theoretische Untersuchung anomaler elastischer, elektronischer und magnetischer Eigenschaften von freistehenden Membranen aus zweidimensionalen (2D) Materialien. 2D-Membranen zeigen aufgrund ihrer dynamischen (Biegephononen) und statischen (Welligkeiten, Falten) Verformungen außerhalb der Ebene mehrere einzigartige elastische Eigenschaften. Beispiele sind ein nichtlineares Hookesches Gesetz, negative thermische Ausdehnungskoeffizienten, die bis zu extrem niedrigen Temperaturen konstant bleiben, ein negatives Poisson-Verhältnis (Auxetizität) und die anomale Erweichung der Kompressions- und Schermoduln. Die Entwicklung möglicher Anwendungen von 2D-Materialien, zum Beispiel auf dem aufstrebenden Gebiet der flexiblen Nanoelektronik, erfordert ein tieferes Verständnis des Zusammenspiels zwischen anomaler Elastizität und elektronischer Struktur, einschließlich der Rückkopplung elektronischer Korrelationen auf die Nanomechanik von Membranen. Der gegenseitige Einfluss von elastischen und elektronischen Eigenschaften von 2D-Materialien steht im Mittelpunkt des Projekts. Die wichtigsten Forschungsziele sind (i) die Entwicklung einer Beschreibung 2D-Materialen, die korrelierte Elektronen beherbergen, wobei der Schwerpunkt auf möglichen Wechselwirkungs-induzierten Phasenübergängen sowie einer anomalen Spannungsabhängigkeit des Membranwiderstandes liegt; (ii) Untersuchung des Zusammenspiels mechanischer, elektronischer und magnetischer Eigenschaften von Membranen, die die Pseudogap-Bildung und polaronische Effekte berücksichtigen; (iii) Untersuchung der Rückkopplung der elastischen Eigenschaften auf elektronische Freiheitsgrade in korrelierten Moiré-Übergittern, wie im verdrehten Doppelschichtgraphen. Das geplante Ergebnis des Projekts ist eine neue Wissensbasis, die die anomalen Elastizitäts- und Transporteigenschaften von 2D-Materialien quantifiziert, die in der Elektronik, Plasmonik und Photonik verwendet werden könnten. Mögliche Anwendungen umfassen supraleitende Vorrichtungen auf der Basis von verdrehtem Graphen, Widerstands- und Thermoschalter, die auf der Steuerung der Amplitude von Biegephononen über externe Dehnung basieren, sowie Breitband-Infrarotstrahlungsdetektoren basieren auf einer gegenseitigen Kopplung zwischen Leitungselektronen und elastischen Moden. Das Konsortium besteht aus theoretischen Gruppen in Russland und Deutschland, die über Fachwissen und internationale Sichtbarkeit auf diesem Gebiet verfügen. Die Gruppen haben bereits eine Zusammenarbeit auf den Bereichen Graphen, ungeordnete und stark korrelierte Systeme und kritische Phänomene aufgebaut. Die gemeinsame Entwicklung dieses neuartigen Forschungstrends bildet die Grundlage für eine dauerhafte Zusammenarbeit. Die Expertise der deutschen Gruppe in der Untersuchung von stark korrelierten Phänomenen und Supraleitung wird durch die Expertise des russischen Teams auf dem Gebiet der anomalen elastischen Eigenschaften von Graphen-Membranen ergänzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Valentin Kachorovskii, bis 3/2022