Ab-initio Berechnungen für anharmonische Polarone in Hydride

Wasserstoffreiche Materialien oder "Hydride" zeigen bei hohem Druck interessante Eigenschaften, unter anderem die Rekordhöhe der kritischen Temperatur für Supraleitung. Diese jüngste Entdeckung hat Hochdruck-Hydride ins Rampenlicht gebracht. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf einen Aspekt, der diese Materialien besonders macht: eine sehr stark ausgeprägte Anharmonizität bei Phononen. Phononen sind quantisierte Gitterschwingungen der Atome im Kristall. Wenn ein Atom aus seiner stabilen Gleichgewichtslage verschoben wird, fühlt es eine Rückstellkraft, die in harmonischer Näherung mit einer Feder beschrieben werden kann. Bei Hydriden verhält sich diese Kraft komplizierter und die harmonische Näherung ist nicht geeignet, was als Anharmonizität bezeichnet wird. Die Elektronen im Kristall werden von den Gitterschwingungen beeinflusst und bilden ein zusammengesetztes Quasiteilchen, ein Polaron. Ein Polaron besteht aus einem Elektron und der durch das Elektron hervorgerufene Gitterdeformation. Um die Anharmonizität der Phononen bei der Beschreibung von Polaronen in Hydriden miteinzubeziehen, kombinieren wir die Expertise des belgische Partners, die Polaronphysik, mit jener des österreichischen Partners, Ab-initio-Berechnungen von Phononen und Elektron-Phonon- Wechselwirkungen. Dies wird zu einem besseren Verständnis der elektronischen und optischen Eigenschaften von Hydriden im normalen Zustand führen.

Das vom FWF geförderte Forschungsprojekt "Ab-initio-Berechnungen für anharmonische Polaronen in Hydriden" hat bahnbrechende Fortschritte im theoretischen Verständnis von Polaronen erzielt - Quasiteilchen, die durch die Wechselwirkung von Elektronen mit Gitterschwingungen in Festkörpern entstehen. Das interdisziplinäre Projekt kombinierte analytische Modelle mit hochentwickelten numerischen Simulationen, um Polaronen in Materialien mit starker Anharmonie zu untersuchen, darunter Quanten-Paraelektrika und Halogenid-Perowskite, die eine Schlüsselrolle in energierelevanten Anwendungen wie Solarzellen und Festkörperkühlung spielen. Das Projekt wurde von zwei zentralen Forschungsgruppen an der Universität Wien und der Universität Antwerpen geleitet und durch internationale Partner, insbesondere aus Japan, unterstützt. Die Teams entwickelten neuartige rechnergestützte Werkzeuge, darunter modernste Quantum-Monte-Carlo-Algorithmen und neue analytische Methoden, die es ermöglichten, die Erforschung von Polaronen über den bisherigen Stand der Technik hinauszuführen. Im Rahmen der Zusammenarbeit wurden rund 20 begutachtete Fachartikel in renommierten internationalen Zeitschriften veröffentlicht, die das wissenschaftliche Verständnis von Quantenmaterialien und Festkörperphysik maßgeblich erweitern. Darüber hinaus förderte das Projekt durch die Organisation mehrerer Workshops und wissenschaftlicher Treffen den internationalen Austausch und die Bildung eines aktiven Forschungsnetzwerks. Ein weiterer zentraler Aspekt des Projekts war die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses: So schlossen mehrere Doktorand:innen ihre Promotion erfolgreich im Rahmen des Projekts ab und setzten ihre akademische Laufbahn fort: darunter Matthew Houtput, der ein Individualprojekt des FWO erhielt, und Thomas Hahn, der eine Postdoc-Stelle am renommierten Flatiron Institute in New York antrat. Aus grundlagenwissenschaftlicher Sicht ermöglichte das Projekt neue Einblicke in das quantenmechanische Verhalten von Polaronen unter stark anharmonischen Bedingungen. Darüber hinaus wurden entwickelte Softwarewerkzeuge als Open Source bereitgestellt, sodass die wissenschaftliche Gemeinschaft diese innovativen Ansätze weiterführen und auf neue Fragestellungen anwenden kann.