Erzeugung und Kontrolle nanoskopischer Korrelationen

Das beantragte Forschungsprojekt umfasst die theoretische Beschreibung von stark korrelierten Elektronensystemen in niedrigen Dimensionen, von Quantenpunkten über Quantendrähte hin zu organischen Molekülen und Clustern von Übergangsmetalloxiden. Das angestrebte Ziel ist ein zweifaches: (i) das Verständnis von Korrelationseffekten, die von der Coulombwechselwirkung in niedrigen Dimensionen herrühren, zu vertiefen; (ii) neue Wege zur Beeinflussung von elektronischen, magnetischen und Transporteigenschaften von korrelierten Materialen, die für die technologische Anwendung von hohem Interesse sind, aufzuzeigen. Beide Aspekte stehen an der Spitze der modernen theoretischen Physik der kondensierten Materie. Um diese herausfordernden Ziele zu erreichen ist eine Symbiose aus Methodenentwicklung und physikalischer Anwendung notwendig. Trotz der vielfachen Anwendungsmöglichkeiten der berücksichtigten physikalischen Systeme wird innerhalb dieses Projekts zur quantitativen Beschreibung der elektronischen Struktur von niedrigdimensionalen und inhomogenen Systemen derselbe vereinheitlichte Vielteilchenformalismus verwendet. Im Speziellen erlauben die dynamische Molekularfeldtheorie (DMFT) und ihre Erweiterungen eine Behandlung und Beschreibung elektronischer Korrelationen, die nicht durch die Limitierungen der Störungtheorie beschränkt ist. Weiters ermöglicht dieser Formalismus die Berechnung von dynamischen Korrelationsfunktionen (Suszeptibilitäten), die direkt im Experiment messbar sind. Weiters stellt der Zweiteilchenvertex die fundamentale Grundlage für die Einbeziehung nichtlokaler Korrelationen dar, die über die Möglichkeiten der DMFT hinausgehen, was erst kürzlich durch den Projektleiter und seine Mitarbeiter im Kontext von korrelierten Nanostrukturen gezeigt wurde. Die Entwicklung einer passenden Prozedur zur analytischen Fortsetzung wird den Zugriff auf Ladungs- und Spintransmissionsfunktionen zum direkten Vergleich mit dem Experiment gestatten. Schlussendlich soll die Methode auf die Keldyshkontur erweitert werden um die Quantendynamik und die Relaxation in den Gleichgewichtszustand zu untersuchen, die korrelierte Quantensysteme fern des Gleichgewichts zeigen. Diese Erweiterung erlaubt ebenso die Berechnung der elektronischen Struktur und Transporteigenschaften von korrelierten Nanostrukturen in Anwesenheit eines elektrischen Störfeldes und anderer externen Felder. Aufgrund der Flexibilität der Methode kann eine Vielzahl an physikalischen Systemen untersucht werden. Die Anwendungsmöglichkeiten umfassen Ladungs- und Spinkorrelationen in stark korrelierten Nanostrukturen. Im Besonderen wird der Projektleiter folgende physikalische Prozesse und Eigenschaften untersuchen: (i) die Verschränkungseigenschaften von räumlich getrennten Cooperpaaren in gekoppelten Quantenpunkten mit supraleitender Umgebung; (ii) die Möglichkeit den Magnetismus am Rand von Graphen-Nanoflakes beziehungsweise deren magnetischen Korrelationen durch Doping mit Ladungsträgern zu beeinflussen; (iii) die Möglichkeit, die Transporteigenschaften von Fulleren-Molekülen durch statische oder dynamische Verformung der Kristallstruktur zu beeinflussen.

Wir haben ein neues Paradigma im Bereich der Nano-Elektronik entwickelt. Dabei nutzen wir die Quanteneigenschaften des Elektrons, um elektronische Geräte der nächsten Generation zu entwickeln. Die wesentliche Idee ist, dass Elektronen sich wie Wellen ausbreiten, welche der Reflexion, Beugung und Interferenz unterliegen. Wie im Experiment gezeigt wurde unterliegen Elektronen somit dem Superpositionsprinzip. Der Aufbau eines jeden elektronischen Gerätes basiert auf der Existenz zweier Zustände: An/Aus, je nachdem ob die Transmission von Elektronen, also der elektronische Strom, erlaubt ist oder nicht. Unter besonderen Bedingungen kann in organischen Materialien der Aus-Zustand durch destruktive Interferenz erreicht werden, so dass die Transmission von Elektronen komplett unterdrückt wird. Darüber hinaus haben wir die Quanteninterferenz mit einer weiteren Eigenschaft des Elektrons kombiniert, dem Spin, welcher in der klassischen Physik keine Entsprechung hat. Der elektronische Spin weist ebenfalls zwei Zustände auf, aufwärts und abwärts, und er ist der Ursprung des Magnetismus. In Kombination mit dem Prinzip der destruktiven Interferenz kann ein sogenannter Spin-Filter realisiert werden, das heißt, ein Gerät welches mit hoher Effizienz eine der zwei Spin-Polarisationen auswählen kann, indem es die Transmission von Elektronen im Zustand aufwärts oder abwärts durch destruktive Interferenz blockiert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich der Spintronik, in welcher der Spinzustand als binäre Einheit interpretiert wird. Unsere Entdeckung ist damit beispielsweise nützlich in der Entwicklung neuer Speichermedien und in der Informationstechnologie.