Ladungstransport und strominduzierte Kräfte in Nanostrukturen: Reduzierte Methoden auf der Basis von Langevin-Dynamik und hierarchischen Quantenmastergleichungen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Thoss
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431945604

Der Transport von Elektronen in Nanostrukturen wie atomaren Drähten, molekularen Kontakten oder Graphen ist häufig begleitet von einer starken Wechselwirkung der Elektronen mit den mechanischen Freiheitsgraden, wie beispielsweise lokalen Schwingungsmoden. Insbesondere bei höheren angelegten Spannungen, d.h. fern vom thermischen Gleichgewicht, führt diese starke Wechselwirkung zu nichtkonservativen strominduzierten Kräften und ungewöhnlichen Phänomenen elektronischer Reibung, die wichtige Konsequenzen haben. Nichtkonservative strominduzierte Kräfte können hohe Anregungen lokaler Schwingungsmoden verursachen und die elektronische Reibung, welche die Schwingungsfreiheitsgrade aufgrund der Wechselwirkung mit den Elektronen erfahren, kann negative Werte annehmen. Beide Effekte können zu mechanischen Instabilitäten der Nanostrukturen führen. Für die weitere Entwicklung nanoelektronischer Systeme ist es entscheidend, ein detailliertes Verständnis der diesen Effekten zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu erlangen. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen in dem im Rahmen der Forschungsgruppe “Reduktion der Komplexität von Nichtgleichgewichtssystemen” verfolgten Projekt theoretische Methoden entwickelt werden, die eine konsistente und akkurate Behandlung von Ladungstransport und strominduzierter mechanischer Bewegung in Nanosystemen fern vom thermischen Gleichgewicht ermöglichen. Hierzu werden verschiedene Strategien verfolgt, die alle auf dem Konzept der reduzierten Beschreibung eines komplexen Gesamtproblems beruhen. Dazu gehören einerseits gemischt quanten-klassische Methoden, die auf fortgeschrittenen Langevin- bzw. Ehrenfest-Ansätzen basieren, und andererseits die Entwicklung vollständig quantenmechanischer Theorien zur elektronischen Reibung. Diese Methoden sollen eingesetzt werden, um Ladungstransport in atomaren Nanodrähten zu untersuchen. Schwerpunkt ist dabei die Analyse der Mechanismen und Charakteristiken strominduzierter Kräfte und elektronischer Reibung. Außerdem sollen stromgetriebene molekulare Rotoren untersucht werden, welche ein besonders interessantes Beispiel für molekulare Motoren darstellen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5099: Reduktion der Komplexität von Nichtgleichgewichtssystemen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Heinz-Peter Breuer; Professor Dr. Gerhard Stock