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Prof. Dr. Matthieu Le Tacon
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KIT Campus Nord
Gebäude 425

21.11.2017

Termine

Theoretische Festkörperphysik

Leiter: Prof. Dr. Joerg Schmalian

Die Theorie-Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Erklärung und Modellierung experimentell studierter Phänomene, verbunden mit der Vorhersage neuartiger Verhaltensweisen und neuartiger Zustände kollektiver Quantensysteme. Hierbei werden drei spezifische Zugänge verfolgt:

  • Verknüpfung von Korrelationseffekten mit first-principles Theorien,
  • Bestimmung der Kopplung zwischen Gitter und Elektronensystem von first principles und
  • Entwicklung von phänomenologischen und auf Modell-Hamilitonian basierenden Theorien zur Beschreibung korrelierter Materialien.
Neuere Veröffentlichungen
Electron-Phonon Coupling
R. Heid
"The Physics of Correlated Insulators, Metals, and Superconductors"
Lecture notes of the Autumn School on Correlated Electrons 7 (2017) 399.
Introduction to the Hubbard Model
R. Eder
"The Physics of Correlated Insulators, Metals, and Superconductors"
Lecture notes of the Autumn School on Correlated Electrons 7 (2017) 145.
Tracing the Electronic Pairing Glue in Unconventional Superconductors via Inelastic Scanning Tunneling Spectroscopy
P. Hlobil, J. Jandke, W. Wulfhekel, J. Schmalian
Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 167001.
Proximity Eliashberg theory of electrostatic field-effect-doping in superconducting films
G. A. Ummarino, E. Piatti, D. Daghero, R. S. Gonnelli, Irina Yu. Sklyadneva,
E. V. Chulkov, R. Heid
Phys. Rev. B 96 (2017) 64509.

Nematische Ordnung und Fluktuationen in Fe-basierten Supraleitern

Fe-basierte Supraleiter sind faszinierende neue Materialien, in denen der supraleitende Zustand wahrscheinlich durch einen unkonventionellen Paarbildungsmechanismus zu Stande kommt. Die Materialien weisen ein komplexes Phasendiagramm auf, in dem magnetische, strukturelle und supraleitende Phasen miteinander konkurrieren. Die strukturelle Ordnung in diesen Systemen steht mit einem nematischen Zustand in engem Zusammenhang, einem Zustand, bei dem die Rotationssysmmetrie ohne zusätzlichen Bruch der Translationssysmmetrie gebrochen ist.

Wenn auch die Existenz dieses nematischen Zustands in Fe-basierten Supraleitern mittlerweile als experimentell gesichert gelten kann, so wird ihr Ursprung noch immer kontrovers diskutiert. Die nematische Ordnung bricht die diskrete Gitterrotationssymmetrie, indem sie die Äquivalenz der entlang der Fe-Ebene verlaufenden x- und y-Richtungen aufhebt. Dies kann durch (i) einen strukturellen Übergang von der tetragonalen in die orthorhombische Phase, (ii) einen spontanen Bruch der Orbitalsymmetrie oder (iii) die spontane Ausbildung einer Ising-artigen Spin-nematischen Ordnung - ein magnetischer Zustand, der die Rotationssymmetrie bricht, aber die Zeitumkehr-Symmetrie beibehält - erfolgen. Nach der Landau-Theorie der Phasenübergänge hat der Eintritt eines dieser Phänomene jeweils den Eintritt der anderen zur Folge: Nematizität wäre demnach die physikalische Realisierung des "Henne-Ei-Problems".

Experimentelle und theoretische Hinweise deuten wesentlich stärker auf einen elektronischen als auf einen phononischen Mechnismus hin, sodass die nematische Ordnung der Klasse der durch elektronische Korrelationen hervorgerufenen Instabilitäten zuzuordnen wäre, wie die Übergänge zu Supraleitung und Ladungs- oder Spin-Dichtewellen. Insbesondere untersuchten wir Transport-, magnetische und elastische Eigenschaften im Rahmen eines Spin-gesteuerten Szenarios und zeigten, dass dieser Ansatz gleichzeitig eine Vielzahl eyxperimenteller Beobachtungen beschreiben kann.

Unsere Arbeit wurde in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Gruppen des IFP sowie Theoriegruppen in Deutschland (Bochum und Dresden) und weltweit (Minnesota, Wisconsin, Rutgers) ausgeführt.

Nematischer Zustand in Fe-basierten Supraleitern im realen Raum und inelastische magnetische Antwort im reziproken Raum.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • What drives nematic order in iron-based superconductors?
    R. M. Fernandes, A. V. Chubukov and J. Schmalian
    Nat. Phys. 10 (2014) 97.
  • Sign-reversal of the in-plane resistivity anisotropy in hole-doped iron pnictides
    E. C. Blomberg, M. A. Tanatar, R. M. Fernandes, I. I. Mazin, B. Shen, Hai-Hu Wen, M. D. Johannes, J. Schmalian, and R. Prozorov
    Nat. Commun. 4 (2013) 1914.
  • Conductivity Close to Antiferromagnetic Criticality
    S. V. Syzranov and J. Schmalian
    Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 156403.
  • Manifestations of nematic degrees of freedom in the magnetic, elastic, and superconducting properties of the iron pnictides
    R. Fernandes, J. Schmalian
    Supercond. Sci. Technol. 25 (2012) 84005.

Elektronische Korrelationen in Übergangsmetalloxiden

Übergangsmetalloxide sind eine Materialklasse, die zur Zeit im Mittelpunkt des Interesses steht. Die besondere Herausforderung bei der theoretischen Beschreibung dieser Verbindungen besteht dabei in der starken Coulomb-Abstoßung zwischen den Elektronen in den teilweise gefüllten 3d-Schalen, die für die sonst überaus erfolgreichen Bandstrukturmethoden der Festkörperphysik ein unüberwindbares Problem darstellt.

Seit den Arbeiten von Fujimori und Minami (Phys. Rev. B 30 (1984) 957) ist bekannt, dass sich impulsintegrierte Valenzband-Photoemissionsspektren dieser Materialien gut reproduzieren lassen, wenn man einen oktaedrischen Cluster betrachtet, der aus einem Übergangsmetall-Ion in einem Käfig aus Sauerstoffatomen auf nächsten Nachbarplätzen besteht und diesen mit der Methode der Configuration Interaction behandelt. Die Übereinstimmung mit dem Experiment ist in der Tat so gut, dass der Vergleich von simulierten und gemessenen Röntgen-Absorptionsspektren heute ein Standardverfahren in der Spektroskopie darstellt.

Wir haben diese Cluster-Methode (VCA: Variational Cluster Approximation) zu einem Bandstrukturverfahren für korrelierte Materialien weiterentwickelt, indem wir die elektronische Selbstenergie - eine Größe, die die Wechselwirkung zwischen den Elektronen vollständig beschreibt - aus der Lösung des Clusterproblems entnommen und als Ansatz-Selbstenergie für ein Gittersystem verwendet haben. Die zugrundeliegende Theorie geht auf Potthoff (Eur. Phys. J. B 36 (2003) 335) zurück und wurde von anderen Gruppen mit großem Erfolg auf Modellsysteme wie das Hubbard-Modell angewandt.

Unsere Version der Theorie erlaubt, realistische Bandstrukturen mit der exakten Multiplett-Theorie für 3d-Schalen zu kombinieren und so Bandstrukturrechnungen für reale stark korrelierte Isolatoren wie NiO, CoO oder MnO durchzuführen. Neben der Berechnung von Bandstrukturen ermöglicht diese Theorie auch die Diskussion von thermodynamischen Größen und Phasenübergängen, so etwa die Diskussion von Spin-Übergängen in LaCoO3.

Besetzung des high-spin-Zustandes in LaCoO3 als Funktion der Temperatur. Resultat der VCA-Rechnung im Vergleich mit experimentellen Werten aus Röntgenabsorption (XAS) und magnetischer Suszeptibilität sowie einer Rechnung mit fester Anregungsenergie.


Ausgewählte Veröffentlichungen

Gitterdynamik und Elektron-Phonon-Wechselwirkung

Moderne ab-initio-Verfahren erlauben es heutzutage, neben der elektronischen Struktur auch die Gitterdynamik von Materialien mit komplexer Kristallstruktur im Detail zu bestimmen. Darüber hinaus kann die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen, die Elektron-Phonon-Kopplung (EPK), mikroskopisch berechnet werden. Diese Größen bestimmen eine Reihe grundlegender Eigenschaften eines Festkörpers, und können zum Verständnis verschiedener Phänomene wie Supraleitung und strukturelle Phasenübergänge beitragen.

Ein aktuelles Arbeitsgebiet sind die Eisenpniktid-Supraleiter. Für eine Reihe von Vertretern der 122-Eisenpniktide konnten wir die Gitterdynamik in Zusammenarbeit mit der Neutronenspektroskopie im Detail charakterisieren. Unsere theoretischen Studien zeigten, dass es in dieser Materialklasse ein empfindliches Wechselspiel zwischen Struktur und Magnetismus gibt, das sich auch in der Gitterdynamik widerspiegelt. Die Berechnung der Phonon-Paarwechselwirkung zeigte darüber hinaus, dass die EPK für die hohen Sprungtemperaturen nicht in Frage kommt und deshalb ein unkonventioneller Mechanismus sehr wahrscheinlich ist.

Eine weitere Konsequenz der EPK ist eine Renormierung der Phononen, die sich in einer Absenkung der Frequenz und einer endlichen Lebensdauer ausdrückt. Bei ausreichend großer Kopplung kann ein Phonon zur Frequenz ω=0 getrieben werden (soft mode), was zu einer Instabilität der ursprünglichen Kristallstruktur und zu einer neuen Ordnung führt. NbSe2 und TiSe2 sind zwei prominente Beispiele, die solche Instabilitäten aufweisen. Unsere Arbeiten zur Gitterdynamik und zur mit der soft mode verknüpften Linienbreite (inverse Lebensdauer) in Verbindung mit Messungen mittels inelastischer Röntgenstreuung konnten qualitative Unterschiede zwischen den beiden Verbindungen aufzeigen. Während für TiSe2 das klassische Bild eines elektronisch getriebenen Phasenübergangs noch zutrifft, spielen bei NbSe2 die spezifischen Eigenschaften der EPK, insbesondere deren Impulsabhängigkeit, eine dominierende Rolle.

Weiterhin beschäftigt sich unsere Gruppe mit dem Einfluss relativistischer Korrekturen auf Gitterdynamik und EPK, die für Verbindungen mit schweren Elementen von Bedeutung ist. Anhand des klassischen Supraleiters Blei konnte gezeigt werden, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung die Paarwechselwirkung erheblich modifiziert, und erst die Einbeziehung dieser relativistischen Korrektur eine quantitativ korrekte Beschreibung der Supraleitung ermöglicht.

Ab-initio-Resultate für die soft mode in NbSe2: (a) Dispersion und (b) Linienbreite, (c) kombinierte Zustandsdichte längs der (100)-Richtung. Der Parameter σ charakterisiert die Temperatur. Die Rechnungen spiegeln die Abnahme der Frequenz bei abnehmender Temperatur bei gleichzeitiger Zunahme der Linienbreite, wie sie auch experimentell beobachtet wird. Der Impulsbereich, in dem die soft mode auftritt, ist durch die Elektron-Phonon-Kopplung bestimmt.


Ausgewählte Veröffentlichungen

Elektronische Selbstenergie-Effekte

Die Elektron-Phonon-Kopplung der elektronischen Quasiteilchen an die Gitterschwingungen renormiert insbesondere Zustände in der Nähe der Fermi-Energie. Dieser Effekt kann mit unseren ab-initio-Methoden quantitativ beschrieben werden. Für den Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 konnten wir zeigen, dass die EPK zwar zu einer Änderung der Quasiteilchen-Dispersion führt, dass der dadurch auftretende Knick ('kink') in der Bandstruktur jedoch deutlich kleiner ist als experimentell beobachtet. Dies schließt die klassische Elektron-Phonon-Kopplung als Hauptursache dieses Effekts aus. Wir wenden wir diese Technik auch zum Studium der Eigenschaften elektronischer Zuständen an Oberflächen an, die mit den experimentell verfügbaren Techniken (z.B. winkelaufgelöste Photoemission) leicht zugänglich sind. Für die Pd(111)-Oberfläche konnten wir so die experimentell beobachtete sehr lange Lebensdauer des unbesetzten Shockley-Zustands durch das Fehlen von Zerfallskanälen erklären. Besetzte Zustände zeigen eine deutlich größere Ankopplung an die Phononen.

Links: Berechnete elektronische Dispersion des antibindenden Bands längs der nodalen Richtung für YBa2Cu3O7. Bei Berücksichtigung der Elektron-Phonon-Wechselwirkung (Symbole) führt dies zu einem Knick ('kink'), d.h. einer Abweichung von der linearen Dispersion.
Rechts: Zugehörige Spektralfunktionen der Quasiteilchen ohne (gestrichelte Linien) und mit (durchgezogenen Linien) Kopplung an die Phononen.


Ausgewählte Veröffentlichungen

  • Momentum dependence of the electron-ponon coupling and self-energy effects in superconducting YBa2Cu3O7 within the local density approximation
    R. Heid, K.-P. Bohnen, R. Zeyher, and D. Manske
    Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 137001.
  • Unusually Weak Electron-Phonon Coupling in the Shockley Surface State on Pd(111)
    I. Yu. Sklyadneva, R. Heid, V.M. Silkin, A. Melzer, K.-P. Bohnen, P.M. Echenique, Th. Fauster, E.V. Chulkov
    Phys. Rev. B 80 (2009) 45429.

Mitarbeiter (in alphabetischer Reihenfolge)


Frühere Mitarbeiter

Dr. Omar de la Pena Seaman, Dr. Thomas Gnielka, Dr. Martin Greiter, Dr. Alexander Herbig, Patrik Hlobil, Mareike Hoyer, Dr. Una Karahasanovic, Dr. Peter Kohlmann, Dr. Hermann Winter, et al.