Mottisolatoren, Nichtgleichgewicht, Phononen und Screening

Stromleitende Materialien bestehen aus negativ geladenen Elektronen, die sich im Hintergrund der positiv geladener Ionen bewegen. In erster Näherung sind Ionen an bestimmten Positionen fixiert (Kristallgitter). Es ist eine große theoretische Herausforderung, die Bewegung dieser riesigen (N~1023) Anzahl von Teilchen und ihre Wechselwirkung über die Coulomb-Kraft zu simulieren. In der Tat ist das selbst für die leistungsstärksten Computer unmöglich. Glücklicherweise kann in den meisten Materialien jedes Elektron in guter Näherung als unabhängiges Teilchen betrachtet werden, das sich im Hintergrund der anderen Elektronen und Ionen bewegt. Dies vereinfacht erheblich den Rechenaufwand und ermöglicht theoretische Vorhersagen über die Eigenschaften dieser Materialien. Dies ist der große Erfolg der sogenannten Bandentheorie der Festkörper. Andererseits existiert eine Reihe sogenannter stark korrelierter Materialien (hier mit SKM abgekürzt), für welche das nicht funktioniert. Nichtsdestotrotz weisen diese Materialien häufig eine Vielzahl von besonderen elektronischen und magnetischen Eigenschaften auf, wie beispielsweise die Supraleitung bei hohen Temperaturen oder eine starke Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von angelegten Magnetfeldern, usw., die bei gewöhnlichen Materialien nicht beobachtet werden. Während die Bandentheorie für einige SKM ein stromleitendes Verhalten vorhersagen würde, entsteht aufgrund der Korrelation eine sog. Mott-Lücke, womit diese SKM zu Isolatoren oder Halbleiter werden. All diese Eigenschaften machen SKM zu interessanten Kandidaten für elektronische Komponenten der Zukunft, um die moderne Siliziumtechnologie zu ersetzen oder zu ergänzen. In diesem Projekt werden wir speziell zwei Effekte untersuchen, die für die Anwendung dieser Materialien in elektronischen Geräten wichtig sein könnten. Zunächst werden wir deren photovoltaische Eigenschaften untersuchen. Dies wird durch vorläufige theoretische und experimentelle Studien motiviert, die darauf hinweisen, dass die Effizienz solcher auf Mott-Systemen basierenden Geräte durch sogenannte impact-ionisation Prozesse verbessert werden könnte. Zweitens werden wir den Übergang zwischen einem isolierenden und einem leitenden Zustand untersuchen, der durch Anlegen einer großen Spannung induziert wird. Ein solcher Übergang, der in einigen SKM experimentell beobachtet wurde, macht sie zu interessanten Kandidaten als Komponenten für Computerspeicher-Technologie. Bei beiden Effekten und ganz allgemein in der Geräteelektronik - spielen Wärmetransport und Wärmeleitung eine wichtige Rolle. Hier konzentrieren wir uns insbesondere auf das Zusammenspiel der Mott-Lücke mit Ionen-Vibrationen, sogenannten Phononen, die wichtig sind, um Wärme abzuleiten und damit das Gerät abzukühlen. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen der TU Wien und der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.