Übergangsmetallchalkogenide unter extremen Drücken

Ziel dieses Projektes ist die Erforschung der Hochdruck-Phasendiagramme von Übergangsmetall- chalkogeniden (TMCs, von transition metal chalcogenides) und die Investigation von Supraleitung und Ladungsdichteordnung, sowie der Effekte von hohen Drücken auf diese Phasen und Materialien. Van der Waals Materialien (vdW) stellen in Bezug auf konventionelle Supraleitung ein derzeit hochaktuelles Forschungsgebiet dar. Diese Materialien sind schichtartig aufgebaut, wobei die einzelnen Schichten nur über schwache vdW Kräfte zusammengehalten werden. Prototypische Beispiele solcher Systeme sind die Übergangsmetalldichalkogenide (TMC2, von transition metal dichalcogenides), wobei besonders die metallischen Vertreter für Supraleitung interessant sind. Diese weisen nämlich neben einer supraleitenden Phase eine Ladungsdichteordnung. Da beide Phasen auf derselben Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Gitterschwingungen beruhen, war man ursprünglich der Meinung, dass sich beide Effekte gegenseitig ausschließen würden, und erst mit dem Aufkommen der TMC2 hat man erkannt, dass dies nicht unbedingt der Fall sein muss. Das gleichzeitige Auftreten von Supraleitung und Ladungsdichteordnung in TMC2 eröffnet die besondere Möglichkeit, die gegenseitige Beeinflussung dieser Tieftemperatureffekte erforschen zu können. Im Zuge des Projektes werden wir evolutionäre Suchalgorithmen verwenden, um die Phasendiagramme für diese Materialien bei hohen Drücken zu bestimmen, wobei ein besonderer Fokus auf die Identifizierung neuer supraleitenden Strukturen liegt. Außerdem werden wir hochmoderne theoretische Methoden verwenden, um die Eigenschaften des supraleitenden Zustandes innerhalb der Ladungsdichteordnung von TMC2 völlig ab intio zu bestimmen, und die Effekte von Druck auf die elektronische Struktur, die Elektron-Phonon Kopplung, Supraleitung und Ladungsdichteordnung zu erforschen. Die Ergebnisse dieses Projektes dazu beitragen, ein kompletteres Bild der Hochdruck- phasendiagramme von TMCs und ähnlichen Materialien zu erhalten, was einen wichtigen Baustein für zukünftige Forschung auf dem Gebiet der Hochdruckforschung darstellt. Weiters werden die Ergebnisse dieses Projektes helfen, das Verständnis der gegenseitigen Beeinflussungen von Supraleitung und Ladungsdichteordnung in TMC2 deutlich zu verbessern, und die Effekte extremer Drücke auf die atomare Bindung, sowie der grundlegenden Mechanismen hinter Supraleitung und Ladungsdichteordnung zu verstehen.

Van-der-Waals-Kristalle sind Schwerpunkte aktueller, insbesondere hinsichtlich ihres Potenzials für konventionelle Supraleitung (SC). Diese Kristalle bestehen aus gestapelten Subschichten, die durch schwache van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Übergangsmetallchalkogenide (TMC2) sind eine der bekanntesten Vertreter dieser Materialklasse, mitunter deswegen, weil ihre metallischen Phasen oft sowohl Supraleitung als auch Ladungsdichtewellen (charge density wave, CDW) aufweisen. Während viel Aufmerksamkeit der Untersuchung der stabilen Phasen von Übergangsmetallchalkogeniden unter Umgebungs- und Niederdruckbedingungen gewidmet wurde, sind Hochdruckumgebungen vergleichsweise unerforscht. Unser Projekt hatte zum Ziel, diese Lücke zu schließen, indem wir die Hochdruckphasendiagramme dieser Materialklasse untersuchten und dabei darauf abzielten, neuartige Phasen zu identifizieren, die Supraleitung und/oder CDW-Ordnung aufweisen. Um dies zu erreichen, haben wir einen umfassenden Ansatz gewählt, der ab initio Methoden und hochmoderne Verfahren kombiniert. Dies ermöglichte es uns, nach neuen Hochdruckstrukturen zu suchen, elektronische und phononishce Eigenschaften zu analysieren, Elektron-Phonon-Kopplungen zu bewerten, supraleitende Eigenschaften zu untersuchen und Instabilitäten bezüglich der CDW-Ordnung zu erforschen. Unsere Untersuchungen konzentrierten sich auf vier Systeme: Nb-S, Nb-Se, Mo-S und Mo-Se, mit dem Ziel, zu verstehen, wie die elektronischen Konfigurationen der Elemente die Strukturstabilität unter Hochdruckbedingungen beeinflussen. Unsere Ergebnisse, die mit der bestehenden Literatur für bekannte Phasen übereinstimmen, offenbaren mehrere neue Materialien und enthüllen komplexe Phasendiagramme über einen großen Druckbereich hinweg. Bemerkenswert ist, dass stabile Phasen der Nieder- und Hochdruckregionen überwiegend aus verschiedenen Stapelungen und Ausrichtungen von Bausteinen verstanden werden können. Niederdruckphasen waren durch trigonale prismatische und oktaedrische Geometrien gekennzeichnet, wie von den Vertretern der TMD2 bekannt, während Hochdruckphasen eine kubische CsCl-ähnliche Geometrie bevorzugen. Die Anzahl stabiler Strukturen wird weitgehend durch das Übergangsmetall bestimmt, wobei Nb-Systeme mehrere stabiler Umgebungsdruckphasen aufweisen und alle binären Phasen metallische Eigenschaften aufwiesen. Mo-Systeme hingegen zeigen hauptsächlich die halbleitende TMD2 Strukturen bei Umgebungsdruck. Besonders bemerkenswert unter den metallischen Phasen sind Nb2S und NbSe3, die ausgeprägte CDW-Instabilitäten zeigen, während sie gleichzeitig konventionelle Supraleitung unterstützen und somit seltene Beispiele für das gleichzeitige Vorhandensein von CDW-Ordnung und Supraleitung unter hohem Druck darstellen. Unsere Arbeit zu einem tieferen Verständnis der Eigenschaften und Verhaltensweisen von Van-der-Waals-Kristallen unter verschiedenen Bedingungen bei und liefert wertvolle neue Erkenntnisse über diese Systeme. Unsere Ergebnisse motivieren auch ähnliche Forschungen in verwandten Materialklassen, die möglicherweise ebenso faszinierende neue Phasen bei höheren Drücken aufweisen.