Institut für QuantenMaterialien und Technologien

Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT)


Willkommen am IQMT

Moderne Elektronik basiert auf halbleitenden Materialien, in denen das Verhalten der Elektronen sehr gut durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben wird, wie sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde. Viele andere ungewöhnliche Aspekte der Quantenphysik wie die Quantenkohärenz, die Überlagerung oder Verflechtung von Zuständen eröffnen grundlegend neue Perspektiven auf eine 'zweite Quantenrevolution' auf den Gebieten der Informations-, Kommunikations- und Computer-Technologie. Die Beobachtung dieser Phänomene in normalen Materialien ist schwierig und stellt ein noch weitgehend unerforschtes Arbeitsgebiet dar.

Am Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) sollen in enger Zusammenarbeit von Theorie und Experiment solche Quantenphänomene in Festkörper- und Molekülsystemen untersucht werden und an einer Umsetzung in neuartige Bauelemente gearbeitet werden, die als Bausteine zukünftiger Quantentechnologien Verwendung finden könnten.

 

Publication Highlights / News

Marginale-Fermi-Flüssigkeits-Verhalten von SrIrO3

SrIrO3 gilt als ein Kandidat für ein korreliertes Dirac-Halbmetall. Das nun über Raman-Streuung ermittelte dynamische Verhalten der Elektronen und Löcher in diesem Material kann gut mit der phänomenologischen Theorie der marginalen Fermi-Flüssigkeit mit frequenzunabhängigen Streuraten nahe dem Planckschen Limit beschrieben werden.

Nat. Commun. 11 (2020) 4270

DFG unterstützt ELASTO-Q-MAT-Initiative

Ein neuer überregionaler Forschungsverbund (SFB-TRR) ELASTO-Q-MAT zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Goethe-Universität Frankfurt, der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden wird Quantenmaterialien untersuchen, deren Eigenschaften sich durch elastische Verformung drastisch ändern lassen.

EMA-Dominique-Givord-Preis 2020 an Wolfgang Wernsdorfer

Der Dominique-Givord, der alle drei Jahre von der European Magnetism Association (EMA) an einen oder mehrere herausragende Wissenschaftler für Fortschritte in der Magnetismusforschung vergeben wird, geht in diesem Jahr an Wolfgang Wernsdorfer für seine Arbeiten zu Einzelmolekürl-Magneten, Magnetisierungstunneln and molekularer Spintronik.

Nematische Korrelationslänge in Fe-basierten Supraleitern

Für FeSe und Ba(Fe1-xCox)2 As2 (x = 0.03, 0.06) wurde mittels inelastischer Röntgenstreuung die Dispersion des weichen transversal-akustischen Phonons gemessenen und daraus die nematische Korrelationslänge ξ bestimmt Die für alle Proben gefundene Temperaturabhängigkeit ξ ∝ (T-T0)-0.5 zeigt zusammen mit früheren Arbeiten zum Curie-Weiss Verhalten der nematischen Suszeptibilität Molekularfeld-Verhalten des nematischen Phasenübergangs. Dies weist auf eine beträchtliche nemato-elastische Kopplung hin, die sich wohl nachteilig auf die supraleitenden Eigenschaften auswirkt.

Phys. Rev. Lett. 124 (2020) 157001

Hector-Wissenschaftspreis 2020 für Wolfgang Wernsdorfer

Wolfgang Wernsdorfer erhält in diesem Jahr den mit 150 000 Euro dotierten Wissenschaftspreis der Hector-Stiftung für seine Leistungen bei der Quantencomputing-Grundlagenforschung zu Nanomagneten und elektronischen Schaltkreisen. Er wird zudem als Mitglied in die Hector Fellow Academy aufgenommen.
Unser Glückwunsch!

Nematischer Quantenphasenübergang trennt unter-schiedliche Supraleitungsphasen in Fe-Supraleiter

Der nematische elektronische Zustand und damit ver-bundenenen Fluktuationen werden als Kandidat für den Mechanismus der Cooperpaar-Bildung in Supraleitern diskutiert. In FeSe0.89S0.11 konnte durch Kombination von chemischem und hydrostatischem Druck ein nemati-scher Quantenphasenübergang untersucht werden, bei dem keine konkurrierenden magnetischen Phasen die-sen Effekt überlagern. Quantenoszillationen in hohen Magnetfeldern zeigen die Veränderung der Fermiflächen und der elektronischen Korrelationen als Funktion des angelegten Drucks und belegen einen Lifshitz-Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Supraleitungsphasen.

Nat. Phys. (2019) 41567

Otto-Haxel-Preis 2018 für Sebastian Kuntz

Am 4. September 2019 erhielt unser Kollege Sebastian Kuntz einen der drei gemeinsam vom KIT sowie den Unitversitäten Heidelberg und Göttingen vergebenen ‘Otto-Haxel-Auszeichnungen für Physik 2018’ .
Unser Glückwunsch!

Rekord-Magnetisierung in FePt-Nanomaterialien

Mit ferromagnetischen FePt-Nanopartikeln wurde bei Raumteperatur ein Energieprodukt von 80 MGOe erreicht (bisheriger Rekord 59 MGOe in NdFeB). Mittels 3 nm Au-Bedeckung konnte die magnetische Polarisation dieser Nanomagnete um 25% auf über 1.8 T gesteigert werden. Diese außergewöhnliche Magnetisierung und Anisotropie wurde durch verschiedene Abbildungs- und Spektroskopie-Methoden bestätigt.

Small (2019) 1902353

Uniaxialer Druck zur Kontrolle von konkurrierenden Ordnungen in einem Hochtemperatur-Supraleiter

Mittels hochauflösender inelastischer Röntgenstreuung wurde am Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O6.67 gezeigt, dass unter uniaxialer Druckbelastung in a-Achsen-Richtung in diesem Material eine drei-dimensionale Ladungsdichtewelle (CDW) erzeugt werden kann, und zwar auch ohne ein starkes Magnetfeld, das bislang zur Beobachtung dieses Effekts verwendet wurde. Mit diesem CDW-Übergang ist eine deutliche Absenkung der Energie eines optischen Phonons verbunden.

Science 362 (2018) 1040

Spektrale Evidenz für unbekannte emergente Ordnung in Ba1−xNaxFe2As2

Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie des Eisen-basierten Supraleiters Ba1−xNaxFe2As2 zeigt sowohl die Reaktion des Elektronensystems auf die nematische Phase als auch eine davon unterscheidbare Veränderung des Elektronensystems, die nicht mit den in diesem System bekannten elektronischen Ordnungen erklärt werden kann.

Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 127001

Niederenergetische Phonon-Anomalien In Kupraten

Wir untersuchten mit modernsten Röntgentechniken die Gitterschwingungen in streifen-geordnetem La2−xBaxCuO4 und deren Kopplung an die Ladungsdichtewelle ("CDW"). Wir fanden heraus, dass die bei hohen Temperaturen auftretenden CDW-Fluktuationen eine andere Periodizität als die statische CDW besitzen, aber die gleiche Periodizität wie YBa2Cu3O6+δ, was durch Kopplung zwischen der CDW und Spin-Korrelationen zustande kommen kann. Dies erklärt die unterschiedlichen Wellenvektoren bei YBa2Cu3O6+δ und La2−xBaxCuO4 und legt einen gemeinsamen Ursprung der CDW-Instabilitäten in verschiedenen Kupraten trotz unterschiedlicher Ordnungs-Wellenvektoren nahe.

Phys. Rev. X 8 (2018) 11008

Effekt von Druck auf CDW in Kupraten

Wir untersuchten die Druckabhängigkeit der Ladungsdichtewelle ("CDW") im unterdotierten Hoch-Tc-Supraleiter YBa2Cu3O6.6 mittels hochauflösender inelastischer Röntgenstreuung. Wir fanden eine extreme Empfindlichkeit der mit der CDW verknüpften Phonon-Anomalien hinsichtlich hydrostatischem Druck und schließen daraus, dass bereits ein moderater Druck von 1 GPa für eine vollständige Unterdrückung der CDW ausreicht. Dies spiegelt die unterschiedliche Auswirkung von chemischer Dotierung und druckinduzierter Strukturveränderung in unterdotierten Kupraten wider.

Phys. Rev. B (R) 97 (2018) 20503

Thermodynamischer Beleg für den Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Zustand im KFe2As2-Supraleiter

Wir untersuchten das magnetische Phasendiagramm von KFe2As2 in der Umgebung des oberen kritischen Felds durch Messung des magnetischen Drehmoments und der spezifischen Wärme mittels eines hochauf-lösenden Piezo-Rotationspositionierers, der eine gut kontrollierbare Ausrichtung des Magnetfelds bezüglich der FeAs-Lagen ermöglichte. Bei exakter Ausrichtung des Felds in dieser Ebene beobachteten wir einen deutlich zweifachen Übergang und eine charakteri-stische Aufwärtsbiegung des Verlaufs des oberen kritischen Felds weit über den Pauli-Grenzwert 4.8 T. Dies ist ein deutlicher Beleg für die Existenz des Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Zustands im Fe-basierten Supraleiter KFe2As2.

Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 217002

Magnetische Wechselwirkung dominiert in BaFe2As2

Die Hochtemperatur-Supraleitung in auf Fe basierenden Materialien steht in enger Verbindung mit magne-tischen, aber auch orbitalen, Gitter- und nematischen Freiheitsgraden. Bei der Muster-Ausgangsverbindung BaFe2As2 sprechen die Anisotropien der magnetischen Suszeptibilität und des elektrischen Widerstands bei Anlegen einer starken symmetriebrechenden Dehnung sehr für eine dominante Rolle des Magnetismus in dieser Hierarchie von Wechselwirkungen.

Nat. Commun. 8 (2017) 504

Rolle von Apex-Sauerstoff in Kuprat-Supraleitern

Für Ausgangsverbindungen von Kuprat-Supraleitern, die sich hinsichtlich der Anzahl von Apex-Sauerstoffatomen unterscheiden, wurden mittels resonanter inelastischer Röntgenstreuung die magnetischen Spektren über einen weiten Bereich des reziproken Raums und mit bisher noch nicht erreichter Genauigkeit gemessen. Die Abwesenheit von Apex-Sauerstoffatomen vergrößert die Reichweite von Hüpfprozessen in der Ebene und führt in CaCuO2 anscheinend zu einem echt drei-dimensonalen Austauschbindungs-Netzwerk.

Nat. Phys. 13 (2017) 1201

TiOx-Nanoröhren für Gas-Analyse-Multisensoren

Im Hinblick auf kostengünstige, aber dennoch hochempfindliche und -selektive Gas-Sensoren zur zuverlässigen Umweltüberwachung wurden TiOx-Nanoröhren-Schichten auf Multisensor-Array-Chips hergestellt. Bei Betriebstemperaturen bis zu 400 °C konnte eine vielversprechende Empfindlichkeit und Selektivität hinsichtlich organischer Dämpfe im ppm-Bereich gezeigt werden.

Sci. Rep. 7 (2017) 9732

Raman-Streuung an der Higgs-Mode in Ca2RuO4

Die quasi-2d antiferromagnetische Ordnung in Ca2RuO4 wurde als Kondensat von energetisch tief liegenden Spin-Bahn-Exzitonen mit Drehimpuls Jeff=1 beschrieben. Raman-Streuung für unterschiedliche Polarisations-Geometrien erlaubt die Unterscheidung der Amplituden-(Higgs-)-Mode dieses Kondensats von Magnonen-Beiträgen. Zusammen mit neueren Daten aus der Neutronenstreuung ist die ein starker Anhaltspunkt für exzitonischen Magnetismus in Ca2RuO4.

Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 67201

Entropie-Landschaft der Quantumkritikalität

Auf der Basis allgemeiner thermodynamischer Prinzipien wurde das räumlich-dimensionale Profile der Entropie S in der Nachbarschaft eines quantenkritischen Punkts und der steilste Abstieg in dem entsprechenden vieldimensionalen Raum der mechanischen Spannungen bestimmt. Der Ansatz wird für CeCu6−xAux nahe dem Einsetzen von antiferromagnetischer Ordnung vorgeführt.

Nat. Phys. 13 (2017) 742

Topologische Isolatoren: Elektron-Phonon-Kopplung

Die Elektron-Phonon-Wechselwirkung im metallischen Oberflächenzustand von 3D Topologischen Isolatoren wurde auf der Basis einer grundlegenden Theorie überarbeitet. Für Bi2Se3 und Bi2Te3 ergibt sich eine schwache Gesamtkopplungskonstante < 0.15. Die vorherrschende Kopplung kommt durch optische Moden mit polarem Charakter zustande, der nur schwach von dem metallischen Oberflächenzustand abgeschirmt wird. Diese Kopplung kann durch Dotierung in Festkörper-Volumenzustände weiter verringert werden.

Sci. Rep. 7 (2017) 1059

Analyse der SL-Paarbildung über inelastische STM

Die Berücksichtigung von inelastischem Tunneln ist wesentlich für die Interpretation von Tunnelspektren unkonventioneller Supraleiter und die direkte Erfassung von elektronischen und bosonischen Anregungen über Rastertunnelmikroskopie (STM). Für den auf Eisen basierenden Supraleiter LiFeAs ergibt sich damit eine starke Evidenz für einen nichtkonventionellen Paar-bildungsmechanismus, wahrscheinlich über magnetische Anregungen.

Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 167001

Entropie-Wandlung in magnetischen CePdAl-Phasen

In CePdAl existiert eine langreichweitige antiferromagnetische Ordnung zusammen mit einer geometrischen Frustration eines Drittels der Ce-Momente. Bei tiefen Temperaturen bewirkt der Kondo-Effekt eine Abschirmung der frustrierten Momente. Bei Unterdrückung dieser Kondo-Abschirmung mittels eines Magnetfelds maximieren die freigesetzten Momente die magnetische Entropie und sorgen für eine starke Erhöhung der Frustration, die mittels der beobachteten erhöhten Entropie quantifiziert werden kann.

Phys. Rev. Lett. 118 (2017) 107204

Schalten eines großen anomalen Hall-Effekts

Antiferromagnetische Mn5Si3-Einkristalle wiesen einen außerordentlich großen, stark anisotropen anomalen Hall-Effekt auf: Er zeigt mehrfache Übergänge mit Vorzeichenwechsel bei verschiedenen Magnetfeldern aufgrund feldinduzierter Umordnung der magnetischen Struktur bei nur sehr geringer Veränderung der Gesamtmagnetisierung.

Sci. Rep. 7 (2017) 42982