Modellierung nichtlokaler Wechselwirkungsphänomene in realen Materialien: Elektronen, Gitter und Topologie

• Antragsteller: Professor Dr. Dmitri K. Efetov; Professor Dr. Giorgio Sangiovanni; Professor Dr. Tim Wehling
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449872909

Das Zusammenspiel von Phononen, Elektronenkorrelationen und Topologie ist eine zentrale Herausforderung der Festkörperphysik. Es bestimmt Phasendiagramme, Transporteigenschaften und die Reaktion quantenmechanischer Phasen auf äußere Felder. Oft fehlt jedoch eine klare Verbindung zwischen elementaren Modellen und der komplexen Physik realer Materialien, was eine theoriegeleitete Optimierung funktionaler Eigenschaften schwierig macht. P5 zielt auf ein quantitatives Verständnis und die Modellierung von Quantenmaterialien, in denen Phononen, Korrelationen und topologische Effekte zusammenkommen. Mit topologischen Schwerfermionen in verdrehten Moiré-Materialien, Kagome-Metallen und TaS2 als Beispielsystemen untersuchen wir, wie dieses Zusammenspiel zur Entstehung von Phasen mit Ladungsordnung, Zeitumkehrsymmetriebrechung, und Supraleitung beiträgt, wie es zu Metastabilität führt und die Kopplung an Verzerrungen und elektromagnetische Felder beeinflusst. Wir analysieren, wie Phononen, Korrelationen und Topologie elektronische Anregungen, kollektive Moden und Transporteigenschaften formen – darunter auch die „Strange-Metallicity“ korrelierter Systeme. Mit Dmitri Efetov, einem Pionier in Moiré-Graphen-Experimenten, entsteht eine enge Theorie- Experiment-Synergie, um aktuelle Probleme in der Verbindung zwischen Modellierung und experimenteller Charakterisierung zu schließen: Die Transporteigenschaften korrelierter Systeme sind besonders herausfordernd, da die Berechnung von Strom-Strom- Korrelationsfunktionen in Greenfunktionsbasierten Vielteilchenmethoden sehr komplex ist. Letztere liefern Spektralfunktionen als Standardoutput. Efetovs Gruppe ermöglicht direkten Zugang zu Spektren und Transportdaten und erlaubt eine doppelte Theorie-Experiment-Verknüpfung beider Observablen. In enger Zusammenarbeit mit QUAST-Partnern untersuchen wir topologische Vielteilcheneffekte, phononinduzierte Metastabilität und Dynamik sowie nichtlokale Korrelationen und Elektron-Phonon- Wechselwirkungen mittels der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT) und Erweiterungen davon. Transport in topologischen Materialien untersuchen wir im Zusammenspiel von Impurity-Solvern auf reellen Frequenzen und Tieftemperatur- Magnetotransportexperimenten. Methodisch treiben wir die ab-initio- basierte Modellierung elektron-phonon-gekoppelter Quantenmaterialien voran, erweitern Zugänge zur Berechnung von metastabilen Zuständen in DMFT, verbessern die Berechnung von Ladungs- und Spinkorrelationsfunktionen und von Elektron-Phonon- Vertices, beziehen dispersive Phononen in die Modellierung ein und untersuchen räumliche Korrelationen mittels DMFT-Erweiterungen und Slave-Rotor-Methoden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5249: Quantitative räumlich-zeitliche Modellierung von Materie mit elektronischen Korrelationen