Forschungsgruppen

Das Verständnis der fundamentalen, physikalischen Prozesse und die Identifikation universeller Aspekte unter ihnen ist eine nötige Voraussetzung für das Design von neuen Quantenmaterialien mit erwünschten Funktionalitäten. Unsere Gruppe untersucht das kollektive Verhalten von wechselwirkenden Elektronen, das zu den vielen faszinierenden Phasen der Materie in Quantenmaterialien führt. Wir möchten die Mechanismen erklären, die der Phasenbildung zugrunde liegen, und charakteristische Eigenschaften der verschiedenen Phasen bestimmen. Wir sind insbesondere interessiert an Situationen, in denen Anregungen der verschiedenen Phasen stark miteinander wechselwirken, sodass es unumgänglich ist ihren gegenseitigen Einfluss aufeinander zu berücksichtigen. Dies beinhaltet z. B. die Erforschung von Quantenphasenübergängen und unkonventioneller Supraleitung. Um die entscheidende Rolle der Wechselwirkungen und das Wechselspiel der verschiedenen Freiheitsgrade in diesen komplexen Situationen zu beschreiben, benutzen wir moderne, feldtheoretische Methoden mit dem Fokus auf Renormierungsgruppen-Techniken. Eine Kombination von mikroskopischen und effektiven Beschreibungen erlaubt es uns dabei, ein umfassendes Bild der korrelierten Phasen in Quantenmaterialien zu erhalten. mehr

Der Schwerpunkt der Gruppe Quantenmikroskopie und Dynamik liegt auf der Integration der Techniken der Attosekundenphysik, der Rastertunnelmikroskopie und der ultraschnellen (kohärenten) Raman-Spektroskopie, um ein Raum-Zeit-Quantenmikroskop zu realisieren und zu nutzen, mit dem Elektronen und Atome in Molekülen, zweidimensionalen Materialien und Supraleitern in Aktion erfasst werden können. Das Mikroskop ist in der Lage, Materie an ihren fundamentalen Raum-Zeit-Quantengrenzen zu untersuchen, mit Auflösungen im Ångström-Maßstab (räumlich), Attosekunden (zeitlich) und Millielektronenvolt (energetisch), und das alles gleichzeitig. Unsere Gruppe hat kürzlich Echtzeit-Raumzeitfilme von elektronischen und atomaren Bewegungen in einzelnen Molekülen aufgenommen. Die Aufnahme von Echtzeit-Raum-Zeit-Bildern von Molekülen, die chemische (und geometrische) Umwandlungen durchlaufen, und von zweidimensionalen Materialien, die strukturelle Phasenumwandlungen durchlaufen, sind die wichtigsten Ziele, die die Gruppe in den nächsten Jahren verfolgen wird. Die Gruppe führt auch Experimente an Molekülen durch, die sich in der Nanokavität von „On-Chip“ Quanten Nanogeräten befinden, um verschiedene Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung und des lichtgetriebenen Elektronentransports durch sie zu untersuchen. mehr

Die Forschungsgruppe „Ultrakalte 2D-Quantenmaterie“ untersucht den quantenelektronischen Transport und die Optoelektronik in neuartigen zweidimensionalen Materialien, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung ihrer supraleitenden, magnetischen und topologischen Eigenschaften liegt. In den letzten Jahren leistete die Gruppe Pionierarbeit bei der Erforschung von kristallinen 2D-Magneten und topologischen 2D-Isolatoren sowie auf dem Gebiet der stark korrelierten Physik in Moiré-Quantenmaterie. Von besonderer Bedeutung war die Entdeckung von korrelierten Isolatorzuständen und Supraleitung in zweilagigem Graphen mit „magischen“ Rotationswinkel durch die Gruppe im Jahr 2018. Dieses aufstrebende Forschungsgebiet, das auch als Twistronik bekannt ist, nutzt einen neuen und beispiellosen Kunstgriff in der Materialwissenschaft, nämlich die Fähigkeit, den relativen Winkel zwischen zwei 2D-Kristallstrukturen zu verändern. Solche Änderungen des Verdrehungswinkels können zu dramatischen Veränderungen der elektronischen Struktur der Materialien führen, die die Realisierung der meisten Quantenzustände der Materie in dieser neuen Moiré-Quantenmaterie-Plattform ermöglicht haben. Der Forschungsfokus der Gruppe liegt derzeit auf der Entdeckung neuer Quantenzustände, die bei ultrakalten Temperaturen unterhalb des derzeit erforschten Bereichs auftreten können.

Die Forschungsgruppe Organische Elektronik entwickelt Materialien und Technologieprozesse für die Herstellung hochwertiger organischer elektronischer Bauelemente. Dazu gehören z.B. Feldeffekt-Transistoren auf der Grundlage konjugierter Kohlenwasserstoffe (z.B. Dinaphthothienothiophen), auf der Basis einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen und auf der Grundlage halbleitender anorganischer Nanodrähte (z.B. ZnO). Im Gegensatz zu Silizium-Transistoren können diese neuartigen Transistoren auf flexiblen Polymerfolien und auf Papiersubstraten hergestellt werden. Besonderes Augenmerk liegt auf der Entwicklung und Integration qualitativ hochwertiger molekularer selbstorganisierender Monolagen. Dabei handelt es sich um extrem dünne organische Schichten, die sich spontan auf funktionalisierten Oberflächen bilden und durch extrem hohe Packungsdichten gekennzeichnet sind. Es werden Materialien und Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, selbstorganisierende Monolagen als Isolatorschichten in diversen Feldeffekt-Transistoren und in integrierten Schaltkreisen einzusetzen und so den Energieverbrauch dieser Bauelemente und Schaltungen drastisch zu reduzieren. Weiterhin wird der Einsatz selbstorganisierender Monolagen für die Herstellung neuartiger Hybrid-Nanostrukturen mit interessanten mechanischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften untersucht. mehr

Materialien mit stark korrelierten Elektronen gehören zu den interessantesten Bereichen moderner Forschung der Physik der kondensierten Materie. Einerseits trifft man in diesen Materialien auf faszinierende Phänomene wie Quantenkritikalität und Hochtemperatursupraleitung mit teils hohem Potential für Anwendungen. Andererseits ist die quantenphysikalische Beschreibung solcher Effekte offenes Terrain, besonders auf der fundamentalen Erkenntnisebene. In der Forschungsgruppe Theorie der stark korrelierten Quantenmaterie wird versucht, die Grenzen dieses fundamentalen Verständnisses mithilfe von modernsten numerischen quantenfeldtheoretischen Methoden zu erweitern. Im Speziellen wird die Forschungsgruppe quantenkritische Systeme, Hochtemperatursupraleiter, Mott-Isolatoren und magnetisch frustrierte Systeme, sowohl auf der Modellebene (Hubbard-Modell, periodisches Anderson-Modell) als auch auf der materialorientierten Ebene (Schwerfermionensysteme, Kuprate, organische Systeme), untersuchen. mehr

Die Festkörper-Nanophysik Gruppe untersucht das breite Spektrum von Zuständen, welche von Elektronen aufgrund von Korrelations- und Wechselwirkungseffekten zwischen ihren Spin- und Ladungsfreiheitsgraden eingenommen werden, wenn die Elektronen in einer oder mehrerer ihrer räumlichen Dimensionen auf der Nanometerskala eingeschränkt sind. Transport sowie optische Eigenschaften werden erfasst, wobei eine Kombination aus lokalen Messmethoden, tiefen Temperaturen, hohen Magnetfeldern und die Einstrahlung von hohen Frequenzen eingesetzt wird. Die räumliche Einschränkung der Elektronen kann entweder in III–V Heterostrukturen künstlich erzeugt werden oder es werden spezielle Kristallsysteme verwendet, welche von vornherein nur eine Ausdehnung in zwei Dimensionen aufweisen. Beispiele hierfür sind Graphen und Molybdendisulfid oder allgemein Materialien mit zweidimensionaler Schichtstruktur und einer nur schwachen Bindung zwischen den einzelnen Schichten. Auf der Suche nach neuen Funktionalitäten und Wechselwirkungseffekten werden darüber hinaus Hybridstapel von diesen zweidimensionalen Kristallen, sogenannte van der Waals-Heterostrukturen, produziert und erforscht. mehr