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Numerical study of dynamics and magnetic properties of strongly correlated electron systems

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Die Physik stark korrelierter Elektronensysteme

Materialien, deren Physik starke Korrelationen zwischen Elektronen aufweist, sind mit am eindrucksvollsten und vielseitigsten. EU-finanzierte Wissenschaftler haben einen Beitrag zu deren theoretischer Beschreibung und zu deren Erklärung geleistet, indem auffällige magnetische und elektronische Eigenschaften entschlüsselt wurden.

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Hinter den herausragenden physikalischen Eigenschaften wie einer unkonventionellen Supraleitfähigkeit und neuer Quantenphasen stehen aufgrund einer starken Spin-Bahnkopplung starke Korrelationen zwischen Elektronen. Viele dieser Phänomene werden bei Iridium-, Praseodym- sowie Uranverbindungen und -legierungen beobachtet. Diese werden als Instabilitäten der elektronischen Konfiguration im Grundzustand bezeichnet. Die Physik dieser Materialien ist allerdings so vielfältig und komplex, dass diese nicht mit konventionellen Theorien für Metalle und Isolatoren verstanden werden kann. Im Rahmen des Projekts COEL (Numerical study of dynamics and magnetic properties of strongly correlated electron systems) gingen Physiker über die konventionelle Beschreibung korrelierter Elektronenzustände hinaus, um deren exotische Eigenschaften zu verstehen. Das COEL-Team wandte eine Quanten-Monte-Carlo-Methode auf das interagierende resonante Zustandsmodell an – einer der Standardprüfstände für solche Untersuchungen – um die physikalischen Eigenschaften wie etwa den elektrischen Widerstand bei finiten Temperaturen zu berechnen. Basierend auf diesen Berechnungen wurde ein neues Szenario mit starken Ladungsschwankungen vorgeschlagen, um die ungewöhnlichen Quasiteilchenzustände bei Samariumverbindungen erklären zu können. Zur Herstellung ungewöhnlicher Schwer-Fermionenzustände in Uranverbindungen benötigten die COEL-Wissenschaftler einen Ausgangspunkt, der über den üblichen Kondo-Effekt hinausging. Sie stellten fest, dass zusätzlich zu einer ferromagnetischen Austauschinteraktion lokalisierter Spin- und Leitungselektronen die Integrierung eines potenziellen Streuungsterms zu einem verringertem Widerstand bei niedriger Temperatur führte. Im Laufe des Projekts untersuchten die Wissenschaftler ebenfalls die Spinrelaxation, welche durch die Spin-Orbit-Kopplung bei Metallen und Halbleitern induziert wird. Die beiden wichtigsten Mechanismen, der sogenannte Elliott-Yafet-Mechanismus und der D'yahkonov-Perel-Mechanismus, wurden mittels eines Pseudopotenzialmodells vereinigt, das für Halbleiter mit einer Zinkblendekristallstruktur entwickelt worden ist. Schließlich wurde eine Theorie formuliert, um aus experimentellen Daten die Bestimmung einer Elektronen-Kern-Hyperfeinkopplung zu ermöglichen. Diese Hyperfeinkopplung geht auf die magnetische Interaktion des Kerns mit Elektronen aufgrund von Mechanismen wie eines Fermi-Kontakts und einer Kernpolarisation zurück. Sie spielt eine grundlegende Rolle für den in der Spintronik angewandten Spintransport. Fortschritte im Hinblick auf das Verständnis stark korrelierter Elektronensysteme anhand von Monte-Carlo-Simulationsverfahren in Kombination mit einer Vielteilchensystemphysik werden einen Beitrag leisten, der über die moderne Elektronik hinausreicht. Die COEL-Projektergebnisse können im Ingenieurswesen genutzt werden, um die Leistung von Solarzellen, Batterien und Brennstoffzellen zu verbessern, für die ein elektrochemisches Verständnis auf atomarer Ebene erforderlich ist.

Schlüsselbegriffe

Stark korrelierte Elektronensysteme, unkonventionelle Supraleitfähigkeit, Quanten-Monte-Carlo, Spintronik

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