Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft

Starke Wechselwirkungen zwischen Elektronen spielen eine zentrale Rolle bei der Hochtemperatur-Supraleitung von dotierten Kupraten. Die Entdeckung dieser Eigenschaft in den isostrukturellen und isoelektronischen Nickeloxiden ist bedeutsam, obwohl sie sich erst drei Jahrzehnte nach ihrer Entdeckung in Kupraten realisieren ließ. Durch den Einsatz von ab-initio Quantenchemiemethoden untersuchen wir die Unterschiede in der elektronischen Struktur dieser scheinbar ähnlichen Systeme und schließen damit Rückschlüsse auf die mikroskopischen Ursachen des Phänomens.

Historische kalkhaltige Objekte, wie z. B. antike Amphoren, sind während der Lagerung in Museen einer Vielzahl von Umwelteinflüssen über Jahrhunderte ausgesetzt. Besonders häufig treten weiße, nadelförmige Ausblühungskristalle auf kalkhaltigen Objekten auf. Dieses Phänomen ist als „Bynes Krankheit“ bekannt. Die teilweise äußerst komplexen Kristallstrukturen einiger dieser Verbindungen konnten wir anhand von Röntgen-Beugungsdaten an Pulvern entschlüsseln. Neben dem rein wissenschaftlichen Interesse konnten wir auch Beiträge zum Erhalt der kalkhaltigen Kulturgüter liefern.

Das Hubbard-Modell ist das einfachste Modell zur Beschreibung von stark korrelierten Elektronensystemen. Dieses Modell ist jedoch nicht exakt lösbar. Eine neue numerische Perspektive, der sogenannte multi-method, multi-messenger Zugang, hat das Potential um zu neuen Erkenntnissen über die faszinierenden Hochtemperatur-Supraleiter zu führen und wurde bereits erfolgreich für bestimmte Parameterbereiche angewandt.

Unter hohem Druck lassen sich Quantenmaterialien mit beispiellosen Eigenschaften synthetisieren. Das bei einem Druck von 12 GPa synthetisierte, im Perowskit-Typ kristallisierende Antimonat Ba_1−xK_xSbO₃ (BKSO) wird bei einer Temperatur unterhalb von T_c = 15 K (x=0,65) supraleitend. Der verwandte Perowskit Ba_1−xK_xBiO₃ (BKBO) weist sogar eine Sprungtemperatur von T_c = 30 K (x=0,40) auf. Beide Verbindungen unterscheiden sich in der Verteilung der Valenzelektronen auf die Kationen (Sb oder Bi) und die Liganden (O). In BKSO werden Hinweise auf kovalente Metall-Sauerstoff-Bindungsanteile gefunden.
 

Durch mechanische Spannungen lassen sich die physikalischen Eigenschaften in oxidischen Heterostrukturen gezielt modifizieren. Hierzu haben wir La_0.5Sr_0.5MnO₃-Schichten zwischen La₂CuO₄-Schichten eingebettet und diese auf unterschiedlichen Substraten aufgebracht. Dadurch konnten wir die mechanischen Spannungen innerhalb der LSMO-Schichten systematisch einstellen. Innerhalb der Schichten bestimmen wir die Ladungsverteilung atomar aufgelöst mittels der Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) und korrelieren diese mit Messungen der Leitfähigkeit sowie der magnetischen Eigenschaften.
 

Poly(heptazinimid), ein chemisch robustes und vielseitig einsetzbares Kohlenstoffnitrid, verfügt über einzigartige opto-elektronische und -ionische Eigenschaften. Diese erlauben die simultane Umwandlung und Speicherung von Sonnenlicht in ein und demselben Material. Von klassischer Photokatalyse über Photokatalyse im Dunkeln bis hin zu Sonnenbatterien, lichtgetriebenen Mikroschwimmern und neuartigen Sensoren – Kohlenstoffnitride sind materialchemische Allrounder und eröffnen neue Perspektiven im Grenzgebiet zwischen solarer Energiekonversion und elektrochemischer Energiespeicherung.
 

Mit der Higgs-Spektroskopie haben wir eine neue Methode zur Untersuchung von Quantenmaterialien, insbesondere von Hochtemperatur-Supraleitern, entwickelt. Dazu regen wir mittels Terahertz-Lasern Higgs-Moden als kollektive Schwingungen eines Supraleiters an. So können wir direkt auf die Dynamik des Supraleiters und dessen Kopplungen an externe Moden zugreifen. Neben neuen Einblicken in die Hochtemperatur-Supraleitung und die Möglichkeit zu deren optischer Kontrolle, lässt sich die Higgs-Spektroskopie als neue Methode auch auf Kondensate in weiteren Quantenmaterialien übertragen.

Der Grenzbereich zwischen der Quantenwelt und der Alltagswelt der klassischen Physik erlaubt dieRealisierung von Phänomenen und Bauelementen mit überraschenden, bahnbrechenden Eigenschaften und Funktionen. Die nicht-unitäre Quantenelektronik nutzt diesen Bereich, indem sie gezielt die Entwicklung von Quantenzuständen gemäß der Schrödinger-Gleichung mit Quantensprüngen, der Dekohärenz und dem Kollaps von Quantenwellen kombiniert. Entsprechende elektronische oder photonische Bauelemente verlassen den Rahmen bislang bekannter, grundlegender Gesetze der Physik.

 

 

 

Ein neuartiges Röntgen-Spektrometer erlaubt präzise Untersuchungen kollektiver Anregungen in Quantenmaterialien, auch wenn diese nur in mikrokristalliner Form hergestellt werden können. Erste Experimente mit diesem am MPI für Festkörperforschung entwickelten Instrument liefern eine mikroskopische Erklärung für die außerordentlich hohe magnetische Ordnungstemperatur einer Ruthenium-Verbindung, deren Ursprung zuvor rätselhaft war. Diese Ergebnisse eröffnen vielfältige neue Perspektiven für die Erkundung mikroskopischer Wechselwirkungen und kollektiver Quantenphänomene in Festkörpern.

 

An Grenzflächen zwischen komplexen Übergangsmetalloxiden mit unterschiedlichen strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften können sich neue Phasen bilden, die in den Phasendiagrammen der einzelnen Komponenten nicht auftreten. In einer Heterostruktur mit ultradünnen Mehrfachschichten dominieren diese Grenzflächeneigenschaften und ermöglichen so die gezielte Realisierung neuer, technologisch nutzbarer Materialien. Unsere Arbeitsgruppe untersucht Modellsysteme mittels Röntgenspektroskopie mit dem Ziel, allgemeine Prinzipien für Modifikationen an Grenzflächen abzuleiten.

Nanoskalige Quantensensoren eröffnen neue Perspektiven von der Materialwissenschaft bis hin zur Bio- oder Medizinanalytik. Der Stuttgarter Arbeitsgruppe am MPI für Festkörperforschung gelang jüngst der Nachweis einzelner Proteine und deren Konformationsänderung mit einem Diamand-Quantensensor.

Feststoffe können – innerhalb gewisser Grenzen – ihre Zusammensetzung ändern. Da in diesem zumeist sehr kleinen Bereich die Konzentrationen der ionischen und elektronischen Ladungsträger über Größenordnungen variieren, ist dieser Prozess nicht nur von grundlegendem Interesse, sondern auch für Anwendungen wie Sensoren, Brennstoffzellen und Batterien von großer Relevanz. Das Verständnis der Kinetik solcher Zusammensetzungsänderungen ist Voraussetzung für eine gezielte Funktionseinstellung.

Im Vergleich zu Transistoren auf der Basis anorganischer Halbleiter lassen sich organische Transistoren bei deutlich niedrigeren Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius herstellen. Dies ermöglicht die Herstellung elektronischer Systeme auf diversen Substraten wie Kunststoff, Papier, oder Textilien. Da solche elektronischen Systeme für mobile Anwendungen von Interesse sind, spielt eine möglichst niedrige Versorgungsspannung der Transistoren eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund haben wir einen extrem dünnen Gate-Isolator entwickelt, der die notwendige Versorgungsspannung auf 0,7 Volt reduziert.

In Supraleitern existiert eine kollektive Anregung von Cooper-Elektronenpaaren, die als Higgs-Mode bekannt ist. Bringt man das System aus dem Gleichgewicht, so können Higgs-Oszillationen auftreten, aus denen sich Eigenschaften der Energielücke im Supraleiter ableiten lassen. Für konventionelle Supraleiter oszilliert das System mit einer Frequenz, welche der zweifachen Energielücke entspricht. Für unkonventionelle Supraleiter können mehrere Higgs-Moden auftreten. Damit bieten sich Higgs-Oszillationen als spektroskopische Methode an, um Informationen über die Energielücken-Symmetrie zu erhalten.

Mit quantenchemischen Verfahren zur Beschreibung der elektronischen Struktur von Materialien lassen sich starke elektronische Korrelationseffekten mit hoher Genauigkeit vorhersagen. Wegen der zur Berechnung und Speicherung der Viel-Elektronen-Wellenfunktion notwendigen Rechenleistung sind diese Methoden aber oft nicht anwendbar. In diesem Review berichten wir über neue Fortschritte, dank derer sich Moleküle und Festkörper mit hochgenauen Verfahren berechnen und die dazu notwendigen Rechenleistungen drastisch reduzieren lassen.

In Analogie zur Lithium-Ionen-Technologie wird Doppellagen-Graphen erstmals als Elektrode in einer miniaturisierten elektrochemischen Zelle betrieben. Ihr innovatives Design ermöglicht den Einsatz von Elektronentransport-Methoden, die in der Untersuchung von Nanostrukturen und niederdimensionalen Systemen bereits etabliert sind. Dank der ungewöhnlichen Kombination lässt sich die Bewegung von Lithium-Ionen, die reversibel zwischen die Kohlenstoffschichten von Doppellagen-Graphen eingelagert werden können, direkt untersuchen. Ihre Beweglichkeit ist in dem Nanomaterial viel höher als in Graphit.

Atomar kleine Magnete verhalten sich grundlegend anders als makroskopische Magnete. Quantenmechanische Phänomene bestimmen ihre Stabilität und Dynamik. Mit Rastersondenmethoden können einzelne Quantenmagnete Atom für Atom hergestellt und untersucht werden. So lassen sich auf atomarer Skala neue Konzepte für ultradichte Datenspeicher sowie für hochempfindliche magnetische Sensoren erforschen.

Die substantielle quantenmechanische Verschränkung (Korrelation) der Elektronen in Übergangsmetallverbindungen führt zu einer großen Vielfalt von Elektronenzuständen, die sich in Analogie zu den klassischen Aggregatzuständen als fest, flüssig oder gasförmig beschreiben lassen. In diesen Systemen wechselwirken, bei schweren Elementen relativistisch, die verschiedenen Freiheitsgrade der Elektronen wie Ladung, Spin- und Bahndrehimpuls sowie Orbitalbesetzung. Beispiele sind Mott-Isolatoren, die auf Spin-Bahn-Kopplung zurückzuführen sind, Dirac-Elektronengase und Quanten-Spin-Flüssigkeiten.

Oxidische Multilagenstrukturen bieten eine breite Vielfalt an Eigenschaften, die für die Grundlagenforschung spannend und für Anwendungen in der Elektronik wichtig sind. Hier berichten wir über die Realisierung von Transistoren und integrierten Schaltungen aus komplexen Oxiden.

Die Erschließung alternativer Energieformen und die effiziente Umwandlung von Sonnenenergie in speicherbare „solare Brennstoffe“ sind wichtige Ziele der Materialchemie. Die Suche nach effizienten, ressourcenschonenden und kostengünstigen Photokatalysatoren führte jüngst zur Entwicklung einer neuen Generation poröser Polymere für die lichtinduzierte Wasserspaltung. Der molekulare Aufbau dieser Materialien erlaubt die rationale Synthese von Photokatalysatoren mit maßgeschneiderten Eigenschaften nach dem Vorbild der Natur.

Atomar dünne Kohlenstoffschichten, sogenanntes Graphen, werden auf Siliziumkarbid (SiC) hergestellt. Das Graphen entsteht durch Verdampfen der Siliziumatome aus den obersten Lagen des SiC. Damit das Graphen seine außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften zeigt, muss seine chemische Anbindung zur Unterlage entkoppelt werden. Dies kann durch Einbringung von Wasserstoff, sogenannter Interkalation, zur Passivierung erreicht werden. Durch Interkalation mit anderen Materialien, z. B. Germanium, ist eine gezielte Dotierung der Graphenlagen möglich.

Nichtverdampfbare funktionale Moleküle, wie etwa Proteine und Peptide, können durch Elektrospray-Ionisierung in intakte Ionen überführt werden. Dies ermöglicht die Deposition auf Oberflächen im Vakuum und damit deren atomar aufgelöste Untersuchung mit Rastertunnelmikroskopie. Neben einem genauen Einblick in die Struktur dieser großen Moleküle erlaubt die Elektrospray-Ionenstrahldeposition die Steuerung der molekularen Konformation in gefaltete, entfaltete oder zweidimensional gefaltete Strukturen.

Die Kristallographie hat seit den ersten Beugungsaufnahmen von Max von Laue vor 100 Jahren eine enorme Entwicklung durchlebt. So erlauben ortsempfindliche Detektoren und strahlungsintensive Synchrotron- und Neutronenquellen Pulverdiffraktogramme mit hoher Zeitauflösung aufzunehmen. Gerade diese hohe Auflösung erlaubt es, Phasenübergänge in Festkörpern direkt zu beobachten und diese mittels neuer Analysemethoden wie der Kopplung von Symmetriemoden und parametrischer Rietveld-Verfeinerung zu untersuchen.

Das neu entwickelte, hochauflösende Neutronenspektrometer TRISP am FRM II in Garching erlaubt erstmals die Messung der Lebensdauern von Gitterschwingungen (Phononen) und Spinanregungen (Magnonen) in Festkörpern als Funktion von Energie und Impuls. Die an TRISP gewonnenen Daten werfen neues Licht auf einige prominente Probleme der Festkörperphysik. Dieser Artikel beschreibt die Messung der Lebensdauern von Phononen in den Supraleitern Blei und Niob, von Magnonen im Antiferromagneten MnF₂ sowie die Messung der thermischen Ausdehnung von MnSi unter Extrembedingungen mittels Larmordiffraktion.

In den letzten Jahren hat sich aufgrund unserer Aktivitäten herauskristallisiert, wie wichtig der Parameter „Größe“ für die elektrochemischen Gesamteigenschaften ist. Der Beitrag zeigt einige experimentelle Ergebnisse unserer Abteilung auf, die zugleich auf Vorhersagungen unsererseits beruhen.

Die Anforderungen an die numerischen Methoden zur Berechnung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Nanostrukturen werden erläutert. Der direkte Vergleich mit experimentellen Ergebnissen erfordert die Betrachtung einer großen Anzahl von Atomen sowie die Berücksichtigung von Korrelationen in den angeregten exzitonischen Zuständen. Ein neuer Zugang, welcher dieser schwierigen Herausforderung standhält, wird vorgestellt und ein Anwendungsbeispiel im Bereich der Erzeugung optischer verschränkter Photonen gegeben.

Die Herstellung hochwertiger Einkristalle ist von kaum zu überschätzender Bedeutung für die Festkörperforschung, denn die Aussagekraft  experimenteller Ergebnisse hängt entscheidend von der Qualität der Proben ab. Hier soll dieser Zusammenhang am Beispiel der kürzlich entdeckten Eisenarsenid-Supraleiter verdeutlicht werden.

Theoretische Überlegungen haben ergeben, dass Leitungselektronen in metallischen Festkörpern unter geeigneten Umständen einen geordneten Zustand mit einer Vorzugsrichtung für die Bewegung der Elektronen annehmen können. Bei dieser nematischen Ordnung wird eine Orientierungssymmetrie des zugrunde liegenden Kristalls spontan gebrochen, nicht aber die Translationsinvarianz. Nematische Ordnung von Elektronen wurde inzwischen in zwei verschiedenen Übergangsmetalloxiden beobachtet, darunter ein Hochtemperatur-Supraleiter.

Scheinbar identische Nanoobjekte wie Moleküle, Proteine oder Nanopartikel unterscheiden sich in Umgebung, Form oder Ausgangszustand. Mittelung über viele Nanoobjekte verwäscht so das Ergebnis eines Experiments. Nur die Messung an einzelnen Nanoobjekten liefert das volle Bild. Optische Spektroskopie einzelner absorbierender Nanoobjekte steht aber vor der Herausforderung, dass ein sehr kleines Signal vor einem großen Untergrund detektiert werden muss. Ein zweites Partikel kann jedoch als Antenne dienen und das Signal verstärken, wodurch Experimente an kleinsten Nanopartikeln möglich werden.

Die Entdeckung neuer Supraleiter geschah fast immer empirisch, oft völlig unerwartet, und die Suche nach Materialien, die bei Raumtemperatur supraleitend sind, ist eine enorme Herausforderung. Der Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung in Kupraten ist noch nicht verstanden; es wurde aber eine Korrelation zwischen gemessenen Sprungtemperaturen und berechneten Energieband-Dispersionen festgestellt. Deshalb versucht man, Materialien mit „besseren“ Bandstrukturen herzustellen. Künstliche Heterostrukturen bestehend aus Nickelaten und isolierenden Oxiden scheinen hierbei Erfolg versprechend.

Elementare supraleitende Eigenschaften der kürzlich entdeckten mit Erdalkali-Metall interkalierten Graphitverbindungen AC₆ (A = Ca, Sr, Yb) werden beschrieben. Diese neuen Supraleiter weisen Sprungtemperaturen von bis zu 11,6 K auf und liegen damit etwa um eine Größenordnung höher als die bisher gefundenen Sprungtemperaturen interkalierter Graphitverbindungen. Es handelt sich bei diesen neuen Supraleitern um Systeme mit schwacher Elektron-Phonon-Kopplung und einem gering anisotropen Ordnungsparameter. Experimente und ab-initio Rechnungen stehen in gutem Einklang.

Symmetrien spielen in der Wissenschaft wie auch im täglichen Leben eine wichtige Rolle. Sie werden als ästhetisch empfunden und vereinfachen wissenschaftliche Fragestellungen. Die Reduzierung der Symmetrien kann auch dazu führen, dass bestimmte Eigenschaften eines Systems erst zugänglich werden. In der Spintronik wird dies ausgenutzt, um den Elektronenspin zu manipulieren ohne sich dabei Magnetfelder zu bedienen. Die Entwicklung von Nanostrukturen für die Spintronik wird in der Abteilung von Prof. Kern und der Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe „Elektronische Struktur an Oberflächen“ untersucht.

Metalloxide zeigen im Volumen eine Vielzahl ungewöhnlicher elektronischer Eigenschaften wie z.B. Hochtemperatur-Supraleitung und magnetische Ordnung. Dieser Artikel beschreibt die Herstellung von Heterostrukturen komplexer Metalloxide und die Charakterisierung der darin enthaltenen Grenzflächen mittels verschiedener experimenteller Methoden. Die Resultate könnten sich als wegweisend für eine neue Generation elektronischer Bauelemente erweisen.

Im Gegensatz zu monokristallinen Silizium-Transistoren können Transistoren auf der Basis organischer Halbleiterschichten vollständig bei Temperaturen unterhalb von 100°C gefertigt werden. Dies ermöglicht z.B. die Herstellung flexibler oder aufrollbarer Flachbildschirme. Dabei spielen insbesondere die Eigenschaften des Gate-Dielektrikums eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit der Transistoren.

Eine rationale Syntheseplanung in der Festkörperchemie als in sich geschlossenes Konzept wird vorgestellt. Die voraussetzungsfreie Vorhersage neuer Verbindungen gefolgt von der Analyse ihrer Eigenschaften führt zu deren zielgerichteter Synthese.

Heterostrukturen bestehend aus supraleitenden und ferromagnetischen Oxiden eröffnen ein neues Forschungsgebiet die gegenseitige Beeinflussung inkompatibler Grundzustände in Festkörpern zu untersuchen. Hier wird als Beispiel die Injektion spinpolarisierter Quasiteilchen in Hochtemperatursupraleiter herangezogen, um ein tieferes Verständnis der Supraleitung in Kupraten zu gewinnen.

Die Untersuchung von Oberflächen, Grenzflächen und dünnen Schichten stellt einen wichtigen Aspekt der Festkörperforschung dar. Die geometrische Struktur der Oberflächen kann auf atomarer Skala mit verschiedenen Mikroskopiemethoden im Realraum abgebildet werden. Die genaue atomare Struktur wird mittels Informationen aus Elektronenspektroskopie, dem Rastertunnelmikroskop und der Beugung langsamer Elektronen bestimmt. Einige Beispiele aus dem Spektrum solcher Untersuchungen werden vorgestellt.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden als Paradebeispiel für Nanostrukturen vorgestellt. Experimente zum elektrischen Ladungstransport und Methoden zur Identifizierung einzelner Nanotubes werden beschrieben. Anwendungen als Transistoren, Leiterbahnen und als elektromechanische Bauelemente werden erörtert.

An zwei Beispielen aus der umfangreichen neuen Chemie metallreicher Lanthanoidverbindungen wird die wechselseitige Beeinflussung verschiedenartiger Elektronensysteme mit interessanten physikalischen Konsequenzen illustriert.

Die Hochdruckforschung hat zu einer enormen Erweiterung unserer Kenntnisse über das Verhalten von Festkörpern in einem weiten Druckbereich geführt. Experimentelle Untersuchungen machen sich zahlreiche neuere Entwicklungen bei der Anwendung von Diamantfenster-Druckzellen zunutze. Von großer Bedeutung sind dabei Fortschritte bei analytischen Methoden, die Synchrotron-Röntgenstrahlung, optische Mikrospektroskopie und Synchrotronstrahlung im infraroten Spektralbereich nutzen. Unser wissenschaftliches Interesse reicht von der Erklärung subtiler Zusammenhänge zwischen atomarer Anordnung, Delokalisation von Elektronen, Magnetismus und Supraleitung bis hin zu fundamentalen Fragen bezüglich Phasenübergängen, Kristallstrukturen und der Natur der interatomaren Bindung. Einige Ergebnisse aus diesem Spektrum werden kurz beschrieben.

Die Untersuchungen elektrochemischer Phänomene im Nanobereich zeigen eine Reihe aufregender Anomalien von fundamentaler Bedeutung und technologischer Relevanz. Dies gilt sowohl für den Transport als auch für die Speicherung von Masse. Ein Bündel von Beispielen wie mesoskopische ionische Heterostrukturen, mesoskopische Anreicherungs- und Verarmungsrandschichten an Korngrenzen, neuartige Soft-Matter-Elektrolyte, Auftreten von Ferroelektrizität in nanokristallinem SrTiO₃ sowie neue Speicherungsmodi in nanokristallinen Li-Batterien werden diskutiert.

Wir benutzen Molekularstrahlepitaxie, um verspannte Heterostrukturen herzustellen. Dazu gehören zwei- und dreidimensionale Quantenpunktkristalle (QPK), SiGe-Heterostrukturen mit herausragenden optischen und elektronischen Eigenschaften, radiale Übergitter sowie wohl positionierte Halbleiter Nanopipelines. Die hohe strukturelle Integrität der QPK erlaubt uns, neuartige Phänomene wie zum Beispiel laterale Verspannungsfeldinterferenzen zu beobachten. SiGe-basierte Heterostrukturen und Tunnelbauelemente, die wir bei extrem niedrigen Wachstumstemperaturen (≈300°C) herstellen, emittieren bei Wellenlängen größer als 2 µm und zeigen Tunnel- zu Reststrom-Verhältnisse von über 7:1. Des Weiteren wickeln wir verspannte Halbleiter-Bischichten auf und zeigen, dass die Wände dieser Strukturen aus neuartigen radialen Übergittern bestehen. Einzelne aufgewickelte Nanoröhrchen werden mit rotem Farbstoff aufgefüllt.