Thermoelektrizität von Manganarseniden

Stark-korrelierte Materialien sind unter den wichtigsten untersuchten Systemen in der Festkörperphysik wegen ihrer faszinierenden und einzigartigen Eigenschaften. Beispiele sind riesige Elektronenmassen in Aktiniumverbindungen, der kolossale Magnetowiderstand oder Hochtemperatursupraleitung. Diese Effekte entstehen durch die starke Wechselwirkung der Elektronen, was eine Einteilchenbeschreibung unmöglich macht. Sie manifestieren sich in ungewöhnlichen Transporteigenschaften, z.B. einem großen Seebeckeffekt oder Magnetowiderstand. Das Hauptaugenmerk dieses Projektes liegt auf einem tieferen Verständnis von thermoelektrischen Eigenschaften von manganbasierten Materialien, die in derselben Symmetrie wie die eisenbasierten Pniktide kristallisieren. Sie unterscheiden sich dadurch qualitativ von den bekannteren Manganperovskiten. Durch die fehlende Kristallfeldaufspaltung ist hier die Multiorbitalphysik grundlegend anders. Als Beispiel dient LaOMnAs, das einen ungewöhnlich großen Seebeckeffekt von 0.24 mV/K zeigt, wenn man es mit Ladungsträgern dotiert. Abschätzungen haben ergeben, dass dieses Material einen Powerfaktor haben könnte, der gleich groß oder sogar größer ist als der von thermoelektrischen Halbleitermaterialien. Das Verstehen von magnetischen Grundzuständen in diesen Systemen ist ebenso von fundamentaler Bedeutung, weil sie wesentlich die Fermifläche des Systems bestimmen. Es gibt in diesem Zusammenhang eine Menge offener Fragen, insbesonders wieso Systeme wie LaOMnAs und BaMn2 As2 unterschiedliche magnetische Ordnungen haben, und wieso die Ordnungstemperatur in letzterem Material doppelt so hoch ist. Diese Fragestellungen sind nicht nur von rein akademischem Interesse, sondern haben auch weiterreichende Auswirkungen auf mögliche technologische Anwendungen. In Zeiten von Klimawandel und steigenden Energiekosten wird die Forschung zu Energieeffizienz und erneuerbaren Energiequellen immer wichtiger. Die Transporteigenschaften dieser Materialien zu verstehen wird es ermöglichen, die fundamentalen Prinzipien für gezieltes Design von neuen Materialien zu verwenden. Für die expliziten Berechnungen benötigt man sehr genaue numerische Methoden. In den vergangen Jahren hat sich die Kombination von ab-initio Methoden mit der dynamischen Molekularfeldtheorie als äußerst erfolgreich für die Beschreibung von stark-korrelierten Materialien herausgestellt. Die Entwicklung von neuen continuous-time Monte Carlo Methoden hat einen weiteren Quantensprung für die Anwendung dieser Techniken gebracht, weil dadurch Parameter- und Temperaturbereiche zugänglich wurden, die zuvor undenkbar waren. Nichtsdestotrotz ist die Genauigkeit, die man für die Berechnung von Grundzustandsenergien und Transporteigenschaften braucht, vor allem für Multiorbitalsysteme, noch sehr schwer zu erreichen. Deshalb werden in diesem Projekt auch die bestehenden numerischen Methoden weiterentwickelt. Es wird die variationelle Clusternäherung benutzt, um die Grundzustandsenergie und damit Struktureigenschaften, der Materialien besser beschreiben zu können. Zusammen mit internationalen Partnern werden wir auch an Weiterentwicklungen der Monte Carlo Methoden für eine effiziente Behandlung von SU(2) invarianten Wechselwirkungen in Multiorbitalsystemen arbeiten. Dadurch wird es möglich, die Niederenergieeigenschaften sehr genau zu bestimmen.

In Zeiten eines drastischen Anstiegs des Energieverbrauchs werden alternative Energiequellen immer wichtiger. Thermoelektrische Materialien können Wärme intrinsisch in elektrische Energie umwandeln, weshalb sie oft als alternative Energieerzeugungsquelle betrachtet werden. Ansonsten verschwendete Wärme, z.B. von Automotoren oder Kraftwerken, kann auf umweltfreundliche Weise genutzt werden. Die Tatsache, dass die Stromwandlung durch den Seebeck-Effekt im Wesentlichen eine Materialeigenschaft ist, eröffnet die Möglichkeit, zuverlässige, wartungsfreie und langlebige Geräte zu konstruieren. Die Untersuchung der zugrundeliegenden mikroskopischen Mechanismen, die eine hohe Thermoelektrizität bedingen, ist nicht nur bei der Suche nach neuen thermoelektrischen Materialien wichtig, sondern auch im Hinblick auf die Verbesserung existierender Materialien durch gezielte strukturelle Modifikationen, z.B. chemische Substitution, Deformation oder sogar Heterostrukturdesign. Eine interessante Klasse von Materialien, bei denen gute thermoelektrische Eigenschaften gefunden wurden, sind Materialien mit starken elektronischen Korrelationen. In diesen Systemen ist die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Elektronen so stark, dass die einzelnen Teilchen sich nicht mehr unabhängig voneinander bewegen können, sondern die Bewegung jedes Elektrons von allen anderen Elektronen abhängt. Schließlich kann dies zu einem Zustand führen, in dem die Elektronen vollständig lokalisiert sind. Dieser Zustand wird als Mott-Isolator bezeichnet. Die Einführung von Ladungsträgern in diesen elektronischen Zustand führt zu einem sehr fragilen metallischen Verhalten mit grundsätzlich schlechter elektrischer Leitfähigkeit. Die schlechte Leitfähigkeitist jedoch entscheidend für gute thermoelektrische Eigenschaften. In diesem Projekt wurden die Systeme LaMnAsO und BaMn2As2 untersucht. Wie oben diskutiert, sind diese Systeme Isolatoren bei ihrer normalen chemischen Zusammensetzung. Werden nun aber Ladungsträger in die Systeme eingebracht, zeigen sie sehr gutes thermoelektrisches Verhalten. Wir berechnen diese Eigenschaften unter Verwendung modernster numerischer Methoden, und unsere Ergebnisse stimmen hervorragend mit experimentellen Daten überein, was die Annahme bestätigt, dass Elektronenkorrelationen in diesen Materialien wichtig sind. Wir haben in diesem Projekt geklärt, dass der Hauptgrund für die gute Thermoelektrizität ist, dass diese Systeme dotierte Mott-Isolatoren sind, weil diese Situation eine große Asymmetrie in den elektronischen Dichten verursacht. Dieser Mechanismus gilt aber nicht nur für die Systeme, die im Rahmen dieses Projekts untersucht wurden, sondern wir vermuten, dass der dotierte Mott- Isolator ein sehr allgemeiner Fall ist, bei dem große thermoelektrische Effekte auftreten. Dies ist ein wertvoller Einblick für die Suche nach neuen thermoelektrischen Materialien.