Starke Korrelationen in Oberflächen und Grenzflächen

Durch verbesserte experimentelle Methoden ist es in den letzten Jahren möglich geworden, komplexe Materialien in sehr reiner und qualitativ hochwertiger Form herzustellen. Das ermöglicht es Wissenschaftlern, völlig neue Systeme und bis jetzt noch nicht untersuchte Fragestellungen zu erforschen. Zwei Beispiele dafür sind sogenannte Adatomsysteme und Heterostrukturen. Erstere bestehen aus einem Halbleitermaterial, auf dessen Oberfläche metallische Atome aufgebracht werden und so ein zweidimensionales System ausbilden. Zweitere bestehen aus verschiedenen Schichten von Übergangsmetalloxiden, die an den Grenzflächen der einzelnen Schichten ebenfalls zweidimensionales Verhalten zeigen. Besonders interessant ist der Fall, wenn eine Komponente dieser Überstruktur aus einem Material besteht, das zur Familie der Hochtemperatur-Supraleiter gehört. In diesem Projekt sollen eben diese zwei Klassen von Materialien, Adatomsysteme und supraleitende Heterostrukturen, in theoretischen Rechnungen untersucht werden. Eine fundamentale Frage, die hier beantwortet werden soll, ist, inwieweit physikalische Eigenschaften, die von bulk-Materialien bekannt sind, auch in diesen zweidimensionalen Ober- und Grenzflächen auftreten. Können diese Systeme supraleitend werden? Gibt es Magnetismus? Welche anderen Phasen können noch auftreten? Auf der Beantwortung dieser Fragen liegt das Hauptaugenmerk dieses Projektes. Aus verschiedene Studien ist bekannt, dass in diesen Systemen die Ladungsträger sehr stark miteinander wechselwirken, wodurch konventionelle Methoden der theoretischen Physik nicht mehr angewandt werden können. Es ist stattdessen notwendig, numerische Methoden für die oben genannten Untersuchungen zu verwenden. Genauer gesagt, werden wir first-principle Rechnungen (Dichte-Funktionals Theorie) mit modernen Methoden der Vielteilchenphysik verbinden. Diese Vorgehensweise kombiniert die Vorteile dieser beiden Techniken, nämlich einerseits die Durchführung sehr materialnaher Rechnungen, und andererseits eine genaue Behandlung der starken Wechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern. Mit diesem Verfahren ist es möglich das Phasendiagramm der untersuchten Strukturen als Funktion von verschiedenen Parametern wie Ladungsträgerkonzentration oder Temperatur sehr genau auszurechnen, und mit experimentellen Daten zu vergleichen. Es soll betont werden, dass diese Kombination von first-principle Rechnungen mit Vielteilchenmethoden für die in diesem Projekt vorgeschlagenen Materialien noch nicht durchgeführt wurden. Aus anderen Untersuchungen weiß man aber, dass es für das Wechselspiel der unterschiedlichen Phasen wichtig ist, die starken Wechselwirkungen möglichst genau zu behandeln, was in diesem Projekt geschehen wird. Daher ist zu erwarten dass die Resultate dieser Studien zur Beantwortung fundamentaler Fragen in der Festkörperphysik beitragen können. Darüberhinaus sind die Ergebnisse aber nicht nur von akademischem Interesse, sondern sie werden auch wichtig sein für die Anwendung dieser neuartigen Materialien beim Design von neuen nanostrukturierten Bauteilen, wie zum Beispiel schnellen elektronischen Schaltern.