Mikrosopische Modelle niedrig-dimensionaler Magneten

Aufgrund der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung rückten niedrig-dimensionale übergangsmetallhältige Spin-1/2-Systeme in das Zentrum des Interesses der Festkörperforschung. Durch gezielte Suche nach neuen Materialien und die intensive Untersuchung dieser Verbindungsklasse stellte sich heraus, dass die niedrige Dimensionalität und magnetische Frustration zu exotischen Grundzuständen und starken Quantenfluktuationen führen. Die Untersuchung dieser Eigenschaften entwickelte sich zu einem neuen Zweig in der Festkörperphysik und stellt nicht nur ein akademisches Problem sondern dar sondern ist ebenso von großer Bedeutung für Hightech- Anwendungen. Niedrig-dimensionale Spin-Systeme zeigen komplexe Phasendiagramme abhängig von der Stärke und relativen Größe der einzelnen Austausch-Kopplungen. Aus diesem Grund erfordert die korrekte Beschreibung des magnetischen Grundzustandes und die Berechnung der Ordnungstemperatur eine sorgfältige und genaue Analyse der Austauschpfade, wobei eine Kombination von Theorie und Experiment von entscheidender Bedeutung ist. Ein großes Problem bei der theoretischen Beschreibung stellt die starke Elektronen-Korrelation dar. Die existierenden Methoden sind dabei entweder auf sehr kleine Modelle (Cluster) beschränkt, wie etwa post Hartree-Fock Methoden, oder enthalten empirische Parameter, wie etwa Hybridfunktionale und die LSDA+U Methode, die im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet werden. Obwohl es in den letzten Jahren große Fortschritte gab, stellt die theoretische Beschreibung stark-korrelierter Systeme nach wie vor ein großes Problem mit vielen offenen Fragen dar. In diesem Forschungsprojekt werden sowohl periodische als auch Cluster-Modelle verwendet, wobei die Ergebnisse verschiedener DFT-Funktionale und post Hartree-Fock Methoden verglichen werden sollen. Dadurch sind eine umfassende Beschreibung der magnetischen Eigenschaften der untersuchten niedrig-dimensionalen Spin- Systeme und die Verbesserung der Wahl der Parameter und Korrekturen in DFT-Funktionalen zu erwarten. Die Cluster werden außerdem für Modell-Rechnungen zur Untersuchung magneto-struktureller Beziehungen und den Effekten der Elektronen-Korrelation auf die lokale Geometrie und Orbital-Ordnung verwendet. Die erhaltenen mikroskopischen Modelle dienen weiters als Basis für Quanten Monte Carlo Simulationen und exakte Diagonalisierung deren Ergebnisse direkt mit experimentellen Daten verglichen werden. Die Untersuchungen im Rahmen dieses Projekts beginnen bei Spin-1/2 Systemen, wie den Cupraten, und werden dann auf Systeme mit mehr als einem ungepaarten Elektron pro magnetischem Zentrum (v.a. Fe- und Mn-Verbindungen) ausgedehnt.