home  |  english  |  Impressum  |  KIT

Institutsleitung
Prof. Dr. Matthieu Le Tacon
Adresse
Karlsruher Institut für Technologie
 Institut für  Festkörperphysik
 Hermann-v.-Helmholtz-Platz 1
 D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Postadresse
Karlsruher Institut für Technologie
 Institut für Festkörperphysik
 Postfach 3640
 D-76021 Karlsruhe
Telefon0721608-26751
Fax  0721608-24624
E-mail Carmen DoerflingerAsw7∂kit edu

Das Institut für Festkörperphysik (IFP) betreibt Forschung auf dem Gebiet elektronischer Eigenschaften kondensierter Materie mit dem Schwerpunkt auf Systemen, bei denen Quantenkorrelationen und elektronische Wechselwirkungen eine wichtige Rolle spielen. Die Arbeiten werden im HGF-Programm Science and Technology of Nanosystems im Topic Condensed Matter and Molecular Building Blocks durchgeführt.

Quanteneffekte zeigen sich nicht nur auf mikroskopischen Längenskalen, sondern bestimmen auch die Eigenschaften von Festkörpern mit makroskopischen Abmessungen. Dies bildet eine starke Verbindung zur Untersuchung von Quanteneffekten in Nanostrukturen im Programm STN. Magnetismus und Supraleitung sind Beispiele für solche makroskopischen Quantenphänomene. So werden supraleitende Eigenschaften durch die Existenz einer makroskopischen Wellenfunktion bestimmt. Der Kondo-Effekt, ein herausragendes Beispiel von Korrelationen in Metallen, ist ein Vielteilchen-Effekt, der lokalisierte magnetische Momente und Leitungselektronen quantenmechanisch verschränkt. Werden diese lokalen Vielteilchen-Quantensysteme in einem stöchiometrischen Kristall angeordnet, bilden sie - wiederum aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik - eine Fermi-Flüssigkeit, d.h. einen Quantenzustand stark miteinander wechselwirkender Elektronen, die als "schwere Fermionen" bezeichnet werden. Quantenphasenübergänge, d.h. Phasenübergänge am absoluten Nullpunkt, werden durch kohärente Quantenfluktuationen getrieben, die im Prinzip den ganzen Festkörper erfassen können. Dies ist eine weitere Stufe von Quanteneffekten. Daher bietet die Forschung an Quantenmaterialien einzigartige Möglichkeiten, neue Materialien zu finden sowie ihre besondere Eigenschaften zu bestimmen und zu verstehen.

Für unsere Forschungsvorhaben betreiben wir zwei größere Forschungsgeräte: Unsere Weichröntgen-Analytik-Anlage WERA an der Karlsruher Synchrotronstrahlungsquelle ANKA liefert elementspezifische Einsichten in die elektronische und magnetische Struktur. Hierzu werden Elektronen-Spektroskopien wie Nahkanten-Röntgenabsorption (NEXAFS), Photoelektronenspektroskopie (PES), magnetischer zirkularer Röntgen-Dichroismus (XMCD) und Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) eingesetzt. Unser thermisches Dreiachsen-Neutronenspektrometer am Neutronen-Forschungsreaktor ORPHEE am Laboratoire Léon Brillouin, CEA Saclay, liefert Informationen über kristallographische und magnetische Strukturen sowie über Gitterdynamik und magnetische Anregungen. Beide Geräte werden vom IFP als Nutzergeräte betrieben, die für Projekte von Forschungsgruppen aus der ganzen Welt im Rahmen eines "peer review"-Verfahrens zur Verfügung stehen.

Neben Photonen-, Photoelektronen- und Neutronenspektroskopie führen wir Experimente zu thermodynamischen Eigenschaften durch, wie etwa zur spezifischen Wärme, thermischen Ausdehnung und Magnetisierung, die Kenntnisse über niedrigliegende Anregungen und kollektive Effekte an Phasenübergängen liefern, sowie Experimente zum elektronischen Transport. Der experimentell zugängliche Parameterbereich umfasst Temperaturen bis herab zu 20 mK, Magnetfelder bis zu 14 T, und hydrostatischem Druck bis zu 6 GPa. Voraussetzung für unsere Untersuchungen sind unsere vielfältigen Möglichkeiten zur Herstellung von Einkristallen und dünnen Schichten verschiedener Materialklassen sowie deren Charakterisierung (u. a. mit Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und Rutherford-Rückstreuung).

Das IFP fokussiert seine Arbeit auf die Untersuchung von Quantenmaterialien, bei denen häufig Supraleitung und magnetische Ordnung benachbart auftreten. Schwerpunkt bei den Supraleitern bilden die Eisen-Pniktide und -Chalkogenide mit verschiedensten Substitutionen, um die supraleitenden und magnetischen Phasendiagramme zu ermitteln und das Wechselspiel zwischen strukturellen, magnetischen und supraleitenden Eigenschaften zu verstehen - und letztlich zu kontrollieren. Systeme mit Ladungsdichtewellen in Konkurrenz zur Supraleitung werden ebenfalls untersucht.

Der Magnetismus von Übergangsmetalloxiden, insbesondere Kobaltaten und Manganaten, ist wegen der verschiedenen Wechselwirkungen (Kopplung gemäß der Hundschen Regeln, Kristallfeld-Wechselwirkungen, Superaustausch und Doppelaustausch, Jahn-Teller-Verzerrung und Elektron-Phonon-Kopplung) besonders interessant. Hier ist das Ziel, das Wechselspiel dieser Kopplungen aufzuklären, das zu verschiedenen magnetischen Ordnungszuständen führt und experimentell durch Anlegen von magnetischen Feldern, Substitution und/oder Dotierung mit Ladungsträgern sowie mit biaxialem oder hydrostatischem Druck geändert werden kann.

Unsere Untersuchungen von dünnen Schichten konzentrieren sich zur Zeit auf Eisen-basierte Supraleiter, undotierte und dotierte Kobaltate mit Perowskit-Struktur sowie Grenzflächen zwischen oxidischen Isolatoren. Wichtige Fragen betreffen den Supraleiter-Isolator-Übergang in ungeordneten FeSe-Schichten, die magnetischen Wechselwirkungen in epitaktisch verspannten Kobaltatschichten, und den Einfluss von Verzerrungen und Druck auf das zweidimensionale Eletronengas in Grenzschichten von Oxid-Heterostrukturen.

Einen weiteren wichtigen Schwerpunkt des IFP bilden die Untersuchungen von Quantenphasenübergängen, d. h. von Phasenübergängen, die durch Änderung eines Kontrollparameters wie Druck, Magnetfeld oder chemische Zusammensetzung zum absoluten Temperaturnullpunkt gebracht werden können. Die Nähe zu einem Quantenphasenübergang ermöglicht das Auftreten neuartiger elektronischer oder magnetischer Phasen. Viele der oben erwähnten Materialklassen befinden sich aufgrund konkurrierender Wechselwirkungen in der Nähe eines Quantenphasenübergangs. Darüber hinaus untersuchen wir intermetallische Selten-Erd-Verbindungen und Legierungen, insbesondere Ce- oder Yb-Systeme mit ihrer Konkurrenz zwischen magnetisch geordnetem (aufgrund der RKKY-Wechselwirkung) und paramagnetischem Grundzustand (aufgrund des Kondo-Effekts).

Die Arbeiten unserer Theorie-Gruppe zielen auf die Erklärung und Modellierung der vielfältigen Phänomene, die wir - wie oben beschrieben - experimentell untersuchen. Dabei geht es auch um die Vorhersagen neuer Phänomene und neuartiger Zustände kondensierter Materie in kollektiven Quantensystemen.