Elektronenkorrelation und Spin-Bahn-Kopplung in 4d und 5d Übergansmetalloxide

Seit den letzten Jahren gibt es ein vermehrtes Interesse an den 4d und 5d Übergangsmetalloxiden (Transition Metal Oxides, TMOs), in denen exotische Zustände, die aus einem subtilen Zusammenspiel zwischen elektronischer Korrelation und relativistischer Spin-Bahn-Wechselwirkung resultieren, entstehen können. Es ist zu erwarten, dass 4d und 5d Oxide aufgrund ihrer ausgedehnten Beschaffenheit stärker metallisch und weniger magnetisch sind als ihre 3d Gegenstücke. Im Gegensatz zu diesem erwarten Verhalten wurde kürzlich ein anormales Halbleiterverhalten bei 4d und 5d TMOs, wie zum Beispiel bei Ca2RuO4 und Sr2IrO4, berichtet. Da dieses Forschungsfeld noch in den Kinderschuhen steckt, wirft es mehrere grundlegende Fragen bezüglich des komplizierten Gleichgewichts zwischen dem Hubbard`s U, dem Hund`s J, der Bandbreite (W), der Spin-Bahn-Wechselwirkung (Spin Orbital Interaction, SOI) und der Aufspaltung des Kristallfeldes (Crystal Field, CF) auf. Um unser noch dürftiges Verständnis dieser Phänomene zu verbessern, ist es wesentlich, die Größe der dominanten effektiven Wechselwirkungen zu bestimmen. Des Weiteren müssen die Besonderheiten und die konkurrierenden Eigenschaften dieser Phänomene für die 3d-4d-5d Reihe der TMOs geklärt werden. Unser Vorhaben ist es, dieses unbekannte Terrain, das zwar oft das konventionelle Verständnis herausfordert, doch reich an neuen physikalischen Phänomenen ist, zu untersuchen. Dies sollte durch die Kombination von experimentellen, computerorientierten und theoretischen Methoden erfolgen. Zu diesem Zweck organisieren wir ein Netzwerk aus Gruppen, die führend auf ihren jeweiligen Gebieten sind und mit den fortschrittlichsten experimentellen Anlagen und theoretischen Methoden ausgestattet sind. Der Beitrag der indischen Gruppe besteht zum Beispiel in der Anwendung vielfältiger spektroskopischer Techniken, deren experimentelle Ergebnisse auf der Anwendung von Methoden, die auf Vielteilchen-Hamilton-Operatoren basieren, analysiert werden. Die Kernkompetenz der österreichischen Gruppe gründet auf der Entwicklung und Anwendung moderner ab initio Programme: Diese Programme beinhalten Methoden, die auf Dichtefunktionaltheorie-Methoden beruhen, auf Hartree-Fock-Methoden sowie Techniken, die auf Greens-Funktionen basieren. Die neueste Entwicklung beinhalten quantenchemische Methoden basierend auf Wellenfunktionen. Das Forschungsziel kann in zwei eng miteinander verflochtene Bereiche unterteilt werden: (i) Eine detaillierte qualitative und quantitative Beschreibung der Trends der effektiven Wechselwirkungen (U, J, W, SOI, CF) für die 3d bis 5d Reihe der TMOs, dies bestimmt die Grenze zwischen dem Regime von lokalisierten und freibeweglichen Elektronen und dem Schnittpunkt zwischen Mott-, Slater-, und Hund-artigem Verhalten. (ii) Eine experimentelle und theoretische Zusammenarbeit, mit der indischen Gruppe, die sich der Aufklärung der Phänomenologie der 4d und 5d TMOs widmet. Von besonderem Interesse sind Phasenübergänge z. b. Leiter/Halbleiter-, Ordnungs/Unordnungs- und magnetische Übergänge und Effekte verursacht durch Doping.

Für Elektronik und Quantencomputer der Zukunft sind Materialien mit kontrollierbaren quantenmechanischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Es ist jedoch eine große Herausforderung, realistische Materialien zu finden und zu entwickeln, die diese Effekte tatsachlich besitzen. Um die Herkunft und die Art solcher Effekte verstehen zu können, bedarf es präzisen mathematischen Modellen, fortgeschrittenen numerischen Methoden und hohen Rechnerleistungen. Wir haben in diesem Projekt quantenmechanische Berechnungen durchgeführt, die es uns durch Losen der Schrödingergleichung ermöglichen, eine neue Klasse von Materialien zu untersuchen. In diesen sogenannten Quantenmaterialien werden makroskopische Eigenschaften, z.B. Elektronenmobilität oder Magnetismus, durch das kollektive Verhalten von einer großen Anzahl an unterschiedlichen mikroskopischen Bestandteilen beeinflusst und verursacht. Wir haben uns bei den Berechnungen vor allem auf Materialien (Oxiden) konzentriert, die aus Übergangselementen mit delokalisierten Elektronen aufgebaut sind, welche mit der Kristallstruktur wechselwirken können und eine schwache, aber dennoch entscheidende, Neigung Spins zu formen besitzen (Magnetismus). Eine besondere Eigenschaft dieser Materialien ist die relativ starke Spin-Bahn-Kopplung, eine quantenmechanische Wechselwirkung zwischen dem Spin und dem Bahndrehimpuls eines Elektrons. Das Hauptaugenmerk der Forschung lag dabei auf zwei Themen: (A) Optimierung und Bewertung der methodischen Vorgehensweise und (B) Anwendung auf Spin-Bahn Oxiden und metallorganischen Solarzellen. Der erste Teil (Teil (A)) wurde vom Forschungsteam in Wien alleine durch- geführt, während der zweite Teil (Teil (B)) in enger Zusammenarbeit mit den indischen Partnern erfolgte, welche neue experimentelle Messungen von metallorganischen Solarzellen bereitstellten und die theoretische Auswertung der Resultate der Spin-Bahn Oxiden unterstützten. Der wichtigste Aspekt unserer Arbeit war zu erkennen und zu erklären, wie die unterschiedlichen mikroskopischen Bestandteile (Elektronen, Spins, Kristallstruktur) untereinander wechselwirken und wie man diese Wechselwirkungen durch äußere Kräfte, z.B. durch ein elektrisches Feld oder Druck, beeinflussen kann, um das System aus dem Gleichgewicht zu bringen und elektronische undmagnetische Übergange anzuregen.Das Kontrollierenvon quantenmechanischen Wechselwirkungen in realen Materialien ist nicht nur bedeutend für das Verständnis der Quantennatur von Materialien, aber es kann auch zu neuen potentiellen Anwendungen in der Elektronik und Spintronik führen. Die Resultate dieses Projekts wurden in mehr als 15 wissenschaftlichen Artikel in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht. Darunter befanden sich Nature Communications, Nature Quantum Materials und Physical Review. Ein wichtiger Bestandteil des Projekts waren auch die Hochleistungsrechner des Vienna Scientific Clusters.