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.

In diesem Projekt haben wir untersucht, wie eine Gruppe von Substanzen namens "stark korrelierte Materialien" (SCMs) möglicherweise für den Bau von Elektronik der nächsten Generation genutzt werden kann. In gewöhnlichen Materialien agieren Elektronen unabhängig voneinander. In SCMs bewegen sie sich jedoch in einer hochgradig koordinierten Weise. Dieses kollektive Verhalten verleiht ihnen wichtige Eigenschaften, die von der stromlosen Leitung mit dem Widerstand Null bis hin zu schnellen, plötzlichen Änderungen ihrer Leitfähigkeit reichen. Erstens haben wir untersucht, ob diese Systeme als photovoltaische Bauteile dienen könnten. Dies wurde durch frühere theoretische und experimentelle Arbeiten motiviert, die darauf hindeuteten, dass die Effizienz von Solarzellen auf der Basis von SCM Isolatoren durch die sogenannte "Impact Ionisation" gesteigert werden könnte. Die Idee ist, dass ein stark photoangeregtes Elektron seine überschüssige Energie nutzen kann, um zusätzliche Elektronen über die Energielücke des Materials zu heben, wodurch aus der gleichen Lichtmenge mehr Ladungsträger erzeugt werden. In herkömmlichen Halbleiter-Solarzellen passiert dies selten, da die überschüssige Energie stattdessen durch die mikroskopischen Schwingungen des Materials, bekannt als Phononen, abgeführt wird. Die Untersuchungen des vorliegenden Projekts bestätigten, dass die Impact Ionisation in SCM Isolatoren tatsächlich wichtig ist. Insbesondere haben wir herausgefunden, dass sie verstärkt werden kann, wenn man das Material über schmalbandige, also schwach leitende Kontakte mit dem Bauteil verbindet. Wir haben auch festgestellt, dass Gitterschwingungen den Effekt nicht signifikant unterdrücken. Zweitens haben wir untersucht, wie sich starke elektrische Felder auf diese SCM auswirken, mit dem Ziel, das sogenannte resistive Schalten zu verstehen: ein abrupter Übergang zwischen einem isolierenden und einem leitenden Zustand. Dieses Schalten macht solche Materialien zu vielversprechenden Kandidaten für die Arbeitsspeicher-Technologie (RAM) der nächsten Generation. In beiden Fällen und in der Bauteilelektronik im Allgemeinen spielen Wärmetransport und -dissipation eine wichtige Rolle. Auch diese werden durch die mikroskopischen Schwingungen bestimmt, die Wärme abführen und das Bauteil kühlen. Hierbei zeigte sich ein überraschendes Ergebnis: Entgegen der naiven Erwartung hilft die Dissipation tatsächlich dabei, dass sich beim Übergang ein beträchtlicher Strom entwickelt. Dies steht in starkem Kontrast zu strukturellen Unregelmäßigkeiten (Verunreinigungen), die die Spektren auf eine oberflächlich ähnliche Weise verbreitern, den Stromfluss jedoch stattdessen behindern. Schließlich haben wir eine Frage untersucht, die eine der Grundlagen der Quantenmechanik berührt: die Rolle der Messung. Die Beobachtung eines Quantensystems stört dieses normalerweise, aber wie sich herausstellt, nicht immer. Wir haben ein mikroskopisches elektronisches Bauteil, eine Art Einzelelektronen-Transistor, unter kontinuierlicher Beobachtung (Messung) untersucht. Wir fanden heraus, dass ein empfindliches Quantenphänomen, bekannt als Kondo-Effekt, das Beobachtetwerden überstehen kann, vorausgesetzt, man verfolgt die Ladung der Elektronen und nicht ihren Spin. Überwacht man stattdessen den Spin, "verglüht" der Effekt schnell. Diese Erkenntnisse könnten einen Beitrag zur umfassenderen Frage leisten: wie zukünftige Quantentechnologien beobachtet werden können, ohne zerstört zu werden.