Forschung

Die Aussicht auf kostengünstige und effiziente optoelektronische Bauelemente ist die treibende Kraft hinter der in jüngster Zeit erfolgten Entwicklung von Metallhalid-Perovskitmaterialien. Einzelkontakt-Photovoltaik-Bauelemente erreichten Leistungskonversions-Wirkungsgrade bis zu 25.7% und Licht-emittierende Dioden mehr als 20% Quantenausbeute.
Mit Übergangsmetallionen substituierte Metalloxidperovskite zeigen ein breites Spektrum von physikalischen Eigenschaften wie Ferroelektrizität, Piezoelektrizität, Photokatalyse, Supraleitung und kolossalen Magnetwiderstand. Die bislang im Vergleich zu ihren analogen Oxidperovskiten recht eingeschränkte Funktionalität von 3D-Halidperovskiten ist größtenteils auf die sehr begrenzte Anzahl von Metallionen zurückzuführen, die den B-Platz im ABX₃-Gitter einnehmen können. Experimentell wurde nun gezeigt, dass Co²⁺-Ionen in die Perovskit-Kristallstruktur eingebaut werden können. Dies führt nicht nur zu magnetischen Eigenschaften, sondern die Co²⁺-Ionen könnnen selbst als Sonden zur Charakterisierung der lokalen elektronischen Umgebung der Pb-Ionen im Perovskitgitter eingesetzt werden und so Informationen zur physikalischen Natur dieser Einbettung in das Material liefern. Co-dotierte MAPbI₃-Filme zeigen für geringe Co-Konzentrationen eine nur geringe Absenkung ihrer Photovoltaikleistung und Photolumineszenz, die Bandlücke bleibt davon unberührt.

Geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide (LiMeO₂) wie LiNi_xCo_yMn_1−x−yO₂ (0 ≤ x, y ≤ 1.0 ; “NCM”) sind aussichtsreiche Kathodenmaterialien für Li-Batterien aufgrund ihrer hohen spezifischen Kapazitäten von bis zu 0.22 Ah/g. Die ähnlichen Ionenradien von Ni²⁺(0.69 Å) und Li⁺ (0.76 Å) führen jedoch zu Me/Li-Unordnung, die als einer der Hauptfaktoren für den raschen Kapazitäts- und Spannungsabfall, die geringe thermische Stabilität und irreversiblen Oberflächenreaktionen angesehen wird.
In einer internationalen Kooperation unterr Beteiligung des IQMT und unter der Federführung des Batterieforschungszentrums an der Universität Münster wurde nun die Herstellung von Ni-armen (“NCM111”, LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂) und Ni-reichen (“NCM811” LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂) Lithium-Übergangsmetall-Oxiden mittels in-situ-Synchrotron-Pulverdiffraktion und Nahkanten-Röntgenabsorptions-Feinstruktur-Spektroskopie untersucht. Es stellte sich heraus, dass sich die Schichtstruktur dieser zwei Kathode über zwei gänzlich unterschiedliche Reaktionsmechnismen ausbildet. Ein Vorhalteschritt bei 500 °C stellte sich als entscheidend zur Vermeidung einer unvollständigen Ni-Oxidation von Ni²⁺ zu Ni³⁺ her, was dann zu einer geringen Raten- und Zyklierungsstabilität führt. Außerdem kommt es vor allem bei Ni-reichen Materialien bei Langzeit- Zyklierung zu einer Zersetzungsreaktion mit der Herausbildung von NiO auf der Oberfläche.

Um einzelne auf einer elektrisch leitenden Substratoberfläche adsorbierte Moleküle zu Elektrolumineszenz anzuregen, müssen die Molekül-Orbitale so an die Elektroden ankoppeln, dass zwar Ladung übertragen werden kann, dass aber andererseits diese Kopplung schwach genug bleibt, um einen für eine Lichtemission geeigneten angeregten Zustand zu ermöglichen. Dies wird üblicherweise durch Einschub einer dünnen NaCl-Isolationsschicht bewerkstelligt. Eine vielversprechende Alternative besteht darin, dass man das Chromophor, d.h. den Teil des Moleküls, in dem anregbare Elektronen verfügbar sind, mittels eines geeigneten Abstandshalter-Moleküls gegen einen direkten Ladungsabfluss isoliert. 2,6-core-substituiertes Naphthalen-Diimide wurde nun als aussichtsreiches Material hierfür untersucht, da dieses Molekül aus einem Chromophor besteht, das über einen Alkin-Abstandshalter mit einer Triphenylmethan-Plattform mit drei Azetyl-geschützten Thiol-Verankerung mit einem Au(111)-Substrat verbunden werden kann. Die Hoffnung, dass der Molekülkomplex durch diese tripodale Verankerung aufrecht gehalten werden kann, erfüllte sich jedoch nicht, da durch die Van-der-Waals-Anziehung zwischen Substrat und den großen Molekülen diese flach auf dem Substrat adsorbiert werden, was die Unterdrückung der Elektrolumineszenz der Moleküle zur Folge hat. In den nun berichteten STM-Experimenten konnten einzelne Moleküle wieder in einen Licht-emittierenden Zustand umgeschaltet werden. Die Emission ist hinsichtlich Quantenausbeute (10^-5–10^-4 Photonen pro Elektron), Stabilität und Reproduzierbarkeit vergleichbar mit der von Einzelmolekülen auf Isolationsschichten. Quantenchemische Berechnung legen nah, dass das Licht von einem einfach positiv geladenen Molekül-Paar emittiert wird.

Die inkommensurable-Ladungsdichtewelle (I-CDW) in BaNi₂As₂ wurde in Röntgenstreu-Experimenten untersucht. Bereits bei Raumtemperatur können für die Ordnungswellenvektoren q_I-CDW (0.28 0 0) und (0 0.28 0) (in Einheiten der reziproken Gittervektoren der tetragonalen Kristallstruktur mit in xy-Orientierung ausgerichteten Ba- und NiAs-Lagen) diffuse Streusignale beobachtet werden, die die Ausbildung einer I-CDWs mit sehr kurzen Korrelationslängen ξ_k ∼ 10 Å in der xy-Ebene und ξ_l ∼ 4 Å senkrecht dazu belegen, die zu tieferen Temperaturen hin größer werden. Die Divergenz von ξ_l bei T_I-CDW = 146 K wird von einer kleinen orthorhombischen Gitterverzerrung begleitet. Die I-CDW-Überstrukturreflexe bleiben bestehen bis herab zu T_tri = 135 K wo BaNi₂As₂ in einem Phasenübergang 1. Ordnung in eine trikline Struktur übergeht, in der die Bindung der Ni-Ionen an die jeweils darum angeordneten 4 As-Ionen nicht länger die Tetraheder-Symmetrie beibehält und die Ni-Ionen sich anscheinend durch die Ausbildung von Ni–Ni-Dimeren in Zickzack-Ketten anordnen. Die I-CDW geht hierbei in eine kommensurable Modulation (C-CDW) mit einem Ordnungsvektor q_C-CDW (1/3 0 1/3) über.
Energieaufgelöste inelastische Röntgenstreuung um q_I-CDW ermöglichte die Beobachtung der Dispersion von zwei optischen Phononmoden mit einem klaren Einbruch in der Dispersion der Phononmode mit der geringeren Energie bei q_I-CDW. Das Phonon wir dort bei weiterer Abkühlung immer weicher und führt dann letzten Endes zum Übergang in den I-CDW-Zustand. Dieser Befund einschließlich der Phononinstabiltät wird sehr gut durch ab-initio-Phononberechnungen mittels Dichtefunktional-Störungstheorie (DFPT) beschrieben. Im Gegensatz zu anderen CDW-Materialien kann die Phononinstabiltät aber hier weder auf ein Fermiflächen-Nesting noch auf eine bei q_I-CDW besonders ausgeprägte Elektron-Phonon-Kopplung zurückgeführt werden. Als eigentliche Ursache wird eine durch die anisotropen Ni-Ni-Bindungen und die Ni-Ni-Dimer-Ladungsfluktuationen zwischen den Orbitalen in und senkrecht zu den Ni-Lagen hervorgerufene ladungsbedingte elektronische Nematizität auf der Basis der orbitalen Freiheitsgrade vermutet.

Durch Deposition einer 20 nm dünnen Schicht aus granularem Aluminium und lithographischer Strukturierung von 20 nm breiten Nanobrücken wurden nanoskopische Josephsonkontakte hergestellt, die sich in in einer einfachen Qubit-Schaltung mit Kohärenzzeiten im Mikrosekundenbereich als gleichwertig zu den derzeit hier bevorzugt verwendeten Al–AlO_x–Al Supraleiter-Isolator–Supraleiter (SIS) erwiesen. Da hierfür nur eine einzige Schichtdeposition benötigt wird, können die Kontakte wesentlich kleiner als SIS-Kontakte dimensioniert werden, die aufgrund der benötigten Multilagen-Deposition und -Strukturierung mindestens 100 x 100 nm² Chipfläche benötigen. Dieser Größenvorteil hat unmittelbar eine geringere Magnetfeld-Empfindlichkeit zur Folge, sodass die Kontakte in größeren Schaltungen unempfindlicher gegen parasitäre Streufelder sind. Als weiterer Vorteil kann die Parallelplatten-Kapazität vermieden werden, sodass die mit der Aufladung der Kontakte durch Cooperpaare verknüpfte Energie in den Bereich von mehreren 10 GHz erhöht wird und damit mit der Josephson-Energie vergleichbar wird. Dies könnte für eine neue Funktionalität von Josephson-Schaltungen genutzt werden. Durch die nun erreichte große Genauigkeit bei der Messung der Josephson-Energie konnten hier spontane Sprünge auf der Zeitskala von Millisekunden bis zu Tagen beobachtet werden, was zu einer neuartigen Charakterisierung der mikroskopischen Defekte im supraleitenden Material verwendet werden könnte.

Bei der Elasto-Widerstandsmessung von BaNi₂(As_1-xP_x)₂-Einkristallen (0 ≤ x ≤ 0.10) wurde ein breites Maximum des B_1g-symmetrischen Elasto-Widerstands-Koeffizienten m₁₂-m₁₁ im Temperaturbereich des Phasenübergangs von der tetragonalen in die orthorhombische Kristallstruktur beobachtet. Das Fehlen einer Curie-Weiss-ähnlichen Temperaturabhängigkeit deutet auf eine schwächere Ankopplung der elektronischen Nematizität an das Kristallgitter als bei den Fe-basierten Supraleitern hin. Die anisotrope Abhängigkeit des elektrischen Transportverhaltens von der Zugbelastung wird auf den uniaxialen Charakter der incommensurablen Ladungsdichtewellen-Phase (I-CDW) zurückgeführt.

Amir-Abbas Haghighirad gehört auch in diesem Jahr zusammen mit fünf weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT zu den "Highly Cited Researchers" des Jahres 2022 einer von der Web of Science Group geführten Rangliste, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aufführt, deren Publikationen zwischen Januar 2011 und Dezember 2021 am häufigsten zitiert wurden. Eine Publikation gilt erst dann als "Highly Cited", wenn sie in ihrem Fachgebiet und ihrem Erscheinungsjahr zu den Top 1 % der Gesamtzitate zählt.

Gemeinsam von University of Oxford, University of Bath und KIT-IQMT wurden am Hochfeldmagnetlabor in Nijmegen der Magnetotransport in dünnen FeSe-Plättchen als Funktion der Probendicke untersucht. Die Auswertung der Daten auf der Basis eines 2-Band-Modells ergab eine ungewöhnliche Asymmetrie bei den Beweglichkeiten von Elektronen und Löchern in der nematischen elektronischen Phase: Quantenoszillationen in Magnetfeldern bis zu 38 T belegen lochartige Quasiteilchen mit einer geringeren effektiven Masse und einer um einen Faktor 3 reduzierte Quantenstreuzeit im Vergleich zu dem Verhalten in FeSe-Volumenproben. Die beobachtete Lokalisierung der negativen Ladungsträger bei Verringerung der Probendicke könnte von Orbital-abhängigen Korrelationseffekten, verstärkten Interband-Spinfluktuationen oder aber einem Lifshitz-ähnlichen elektronischen Phasenübergang herrühren.

Mittels Raman-Spektroskopie wurde bei BaNi₂As₂ eine außerordentlich große energetische Aufspaltung der zweifach entarteten planaren Vibrationen der NiAs-Tetraeder beobachtet. Im Gegensatz zu den entsprechenden Fe-basierten Systemen, wo diese Aufspaltung als Beleg für einen nematischen Symmetriebruch angesehen wird, erfolgt diese in BaNi₂As₂ bereits im Temperaturbereich deutlich oberhalb der Übergangstemperatur des strukturellen Phasenübergangs. Es handelt sich daher nicht um die symmetriebedingte Aufhebung einer Entartung sondern um einen dynamischen Effekt: Die Aufspaltung kann durch eine besonders starke Kopplung von Fluktuationen zwischen entarteten elektronischen nematischen Konfigurationen (vermutlich der Elektronen-Orbitale) und den Kristallgitter-Freiheitsgraden erklärt werden, was darauf hindeutet, dass die tetragonale Phase von BaNi₂As₂ eine dynamische elektronische nematische Phase aufweist.
Die Verbreiterung und Aufspaltung der Spektrallinien der planaren Phononen kann beschrieben werden als eine verstrickte Überlagerung von zwei entarteten nematischen Zuständen, die an ein Bad von Schwingungsquanten gekoppelt sind. Damit ergibt sich eine Analogie zur Phänomenologie der Spin-Flüssigkeiten, dynamischen Zuständen ohne langreichweitige Ordnung aber mit langreichtweitiger Verstrickung.

Einzelne einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren mit kovalenten Wanddefekten habe sich als Photonenquellen etabliert, deren Photolumineszenz-Spektren durch die Chiralität der Nanoröhren und die daran angebrachte funktionelle Molekülgruppe maßgeschneidert werden können. Einzelne mit Dichlorbenzol-Molekülen modifizierte (7, 5)-Kohlenstoff-Nanoröhren wurden nun mit Graphen-Elektroden kontaktiert und in Elektrolumineszenz-Spektroskopie untersucht. Die Teststrukturen zeigten elektrisch erzeugte defekt-induzierte Emissionen, die sich durch eine angelegte Gatter-Spannung steuern und im Vergleich zu nicht modifizierten Nanoröhren stark zu kleineren Wellenlängen hin verschieben ließen. Die defekt-induzierten Emissionen lassen sich anhand der Korrelation der Elektrolumineszenz-Anregungen mit dem elektrischen Transport und der Photolumineszenz exzitonischen und trionischen Rekombinationsprozessen zuordnen. Unter kryogenen Bedingungen traten zusätzlich von der Gatter-Spannung abhängige Emissionslinien auf, die einer Phonon-unterstützten Heiße-Exzitonen-Elektrolumineszenz zugeordnet werden konnten. Es wurde gezeigt, dass die Elektrolumineszenz-Anregung Konfigurationen mit den niedrigsten Übergangsenergien und neutralem Defektzustand auswählt. Da sich diese Auswahl durch Anlegen einer Gatter-Spannung zur Bevorzugung von Konfigurationen mit geladenenem Defektzustand verändert lässt, kann hierdurch eine hohe spektrale Reinheit erzielt werden.

Mit Hilfe einer auf Piezoaktoren basierenden Messanordnung wurde mit hoher Genauigkeit die elastokalorische Antwortfunktion von Sr₂RuO₄ gemessen. Diese spiegelt unter adiabatischen Versuchsbedingungen das Änderungsverhalten der Entropie wider. Nullstellen der Antwortfunktion enstprechen daher Extremwerten der Entropie.
In den Messdaten im Temperaturbereich T = 1 K - 8 K sind deutlich mehrere Zonen erkennbar, die durch Vorzeichenwechsel-Linien begrenzt werden. Für T > 3.5 K ist dies nur eine Linie, die durch Vergleich mit theoretischen Voraussagen einer Van-Hove-Singularität der elektronischen Bandstruktur zugeordnet werden konnte. Eine weitere Linie stimmt im Rahmen der experimentellen Genauigkeit exakt mit dem aus Messungen der spezifischen Wärme abgeleiteten Verlauf des Übergangs zur Supraleitung überein. Unklar bleibt der physikalische Mechanismus, der der augenscheinlich als Verlängerung der Van-Hove-Singularitätslinie in den Supraleitungsphasenbereich interpretierbaren Linie zugrunde liegt.
Insgesamt ergibt sich somit für Sr₂RuO₄ ein Phasendiagramm mit einem "supraleitenden Dom", wie es bereits von vielen Kuprat-, Pniktid-, organischen und Schwere-Fermionen-Supraleitern bekannt ist.

Wolfgang Wernsdorfer wurde als einer von 16 im Vorjahr ausgewählten ausländischen Wissenschaftlern in die französische Académie des sciences aufgenommen.

Fluxonen, Suprastrom-Wirbel, können in langen Josephson-Kontakten durch einen Bias-Strom bis zu einer charakteristischen ("Swihart"-)Grenzgeschwindigkeit für die elektromagnetische Strahlung im Kontakt beschleunigt werden. Dieser Effekt kann für die Stromverstärkung in Supraleitungselektronik-Schaltungen genutzt werden. Beim Erreichen des Kontaktendes werden die Fluxonen reflektiert und dabei in Anti-Fluxonen, Suprastrom-Wirbel mit der umgekehrten Rotationsrichtung, umgewandelt, die dann in die Gegenrichtung beschleunigt werden. Dieser Mechanismus kann für eine Anwendung als abstimmbarer Oszillator genutzt werden, wobei die Oszillationsfrequenz durch die Länge des Kontakts und die über den Biasstrom abstimmbare mittlere Geschwindigkeit gegeben wird. Da der charakteristische Wellenwiderstand von konventionellen langen Josephson-Kontakten jedoch viel zu klein für einen direkten Anschluss an externe Schaltungen und 50-Ohm-Kabel ist, konnten bisher nur sehr kleine Mikrowellenleistungen ausgekoppelt werden. Eine KIT-Forschergruppe konnte nun zeigen, dass sich dieses Problem durch die Verwendung eines Supraleiters mit hoher kinetischer Induktivität, granularem Aluminium, als Elektrodenmaterial lösen lässt, da sich hier der charakteristische Wellenwiderstand durch die Erhöhung der Induktivität durch die zusätzliche kinetische Induktivität um eine Größenordnung anheben lässt. Der von jedem Suprastrom-Wirbel eingeschlossene magnetische Fluss ist deutlich kleiner als das magnetishe Flussquantum Φ₀. Die Swihart-Geschwindigkeit ist im Vergleich zu konventionellen Josephson-Langkontakten um ungefährt eine Größenordnung geringer.

Seltenerd-Ionen können sehr schmale optische Linienbreiten aufweisen, was unmittelbar mit der sehr langen Lebensdauer der entsprechenden Spin-Zustände verknüpft ist. Dies macht ihren Einsatz für photonische Quantentechnologien sehr vielversprechend. In den meisten kristallinen Materialien ist jedoch die Kopplung an ihre Umgebung dafür zu stark. In Molekülsystemen kann diese Kopplung zwar ausreichend schwach gestaltet werden, doch es gibt üblicherweise entweder keine geeigneten Spin-Zustände oder aber sie weisen zu breite optische Linien auf.
Einem Forscherteam der Université Paris Sciences & Lettres, des IQMT und des INT gelang nun die Herstellung von Molekülkristallen mit Eu³⁺ -Ionen, die homogene optische Lineebreiten zwischen 5 und 30 kHz aufweisen und damit um 3 bis 4 Größenordnungen schmaler sind als bei allen bisher bekannten Molekülsystemen. Das Forscherteam konnte eine effiziente optische Spin-Initialisierung, kohärente Speicherung von Licht und eine optische Kontrolle der Wechselwirkung der Ionen untereinander, was für die Realisierung von Quanten-Gattern verwendet werden könnte, nachweisen.
Derartige Seltenerd-Molekülkristalle könnten die Grundlage für photonische Quantentechnologien bilden, bei denen die hohe Kohärenz der Seltenerd-Photonemitter mit der chemischen und strukturen Flexibiltität der molekularen Materialien die Herstellung von neuartigen integrierte Photonen-Schaltungen ermöglicht.

Spin-Anregungen erfahren bei Fortbewegung in einem Medium mit topologisch nichttrivialer magnetischer Ordnung eine Ablenkung, die genau der eines elektrisch geladenen Teilchens in einem Magnetfeld entspricht. Mittels spin-polarisierter inelastischer Neutronenstreuung wurde nun die Bewegung von Magnonen, kollektiven Spin-Anregungen, in einem Gitter von Skyrmionen, schlauchförmigen quantisierten Spin-Verdrillungszonen, in MnSi untersucht. Für Magnonen-Bewegungen senkrecht zu den Skyrmion-Schläuchen lassen sich die Spektren mit der Ausbildung von Landau-Energieniveaus in einem Pseudo-Magnetfeld erklären, das den Effekt der nichttrivialen topologischen Windung des Skyrmion-Gitters beschreibt. Dies belegt eine topologische Magnon-Bandstruktur im reziproken Raum, die aus einer nichttrivialen topologischen magnetischen Ordnung im Ortsraum hervorgeht.

5d-basierten Metalloxide zeigen wegen der hier nur schwach ausgeprägten elektronischen Korrelationen selten Ferromagnetismus. In SrIrO₃/LaCoO₃-Heterostrukturen konnte nun durch Messung des elektrischen Transport-Verhaltens in der SrIrO₃-Schicht ein durch Proximity-Effekt vom ferromagnetischen isolierenden LaCo₃ induzierter Ferromagnetismus, eine starke magnetokristalline Anisotropie und ein starker, intrinsischer und positiver anomaler Hall-Effekt beobachtet werden.

Der John-Bardeen-Preis 2022 wurde an Jörg Schmalian (KIT), Mohit Randeria (The Ohio State University) und Peter Hirschfeld (University of Florida) für ihre bahnbrechenden theoretischen Arbeiten zur Supraleitung und deren Realisierung in stark korrelierten Systemen sowie zur experimentellen Nachweisbarkeit von unkonventioneller Supraleitung verliehen.
Der Bardeen-Preis wird alle drei Jahre auf der M2S-Konferenz vergeben.
Jörg Schmalian erhält den Preis für seine nachhaltigen materialorientierten theoretischen Einblicke in unkonventionelle Supraleiter auf der Basis von Elementen des gesamten Periodensystems wie z.B. organische Supraleiter, Kuprate oder Pniktide, für seine Pionierarbeiten zum Effekt von verflochtener Ordnung sowie für seine Beschreibung von unkonventioneller Supraleitung, die über das bisherige theoretische Modell von auf aus normalen Zuständen gebildeten Quasiteilchen hinausgeht.

Es wurde gezeigt, dass eine starke Renormierung der Lebensdauer von atomaren Gitterschwingungen, Phononen, ohne einen Nesting-Effekt der Fermifläche oder stark anharmonische Gitterwechselwirkungen auftreten kann, wenn die Kopplung zwischen Phononen und Elektronen stark vom Impuls der elektronischen Zustände abhängt. Mittels inelastischer Neutronenstreuung, winkelaufgelöster Photoemissions-Spektroskopie und ab-initio Berechnungen der gitterdynamischen und elektronischen Freiheitsgrade wurde dieses Szenario in dem konventionellen Supraleiter YNi₂B₂ verifiziert.

Lithium-Ionen-Batterien ("LiB") fanden in den 1980er-Jahren in kürzester Zeit ihren Weg von der Grundlagenforschung in den technischen Alltag. Ausgangspunkt war die Entdeckung von schnellen Ionenleitern auf der Basis von Übergangsmetalloxid-2D-Schichtstrukturen mit dazwischen eingelagerten Li-Ionen. Die hohe Energiedichte von aufladbaren LiBs mit LiCoO₂-Anoden ermöglichen seit 1991 den den praktischen Einsatz von tragbaren Elektronikgeräten mit hohem Energiebedarf. Wegen des relativ hohen Co-Preises haben sich inzwischen Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Mischoxide ("NMC") Li_aNi_xMn_yCo_zO₂ (a ≈ 1 ; x + y + z ≈ 1) durchgesetzt, die heute in in den meisten E-Bikes und Elektroautos verwendet werden. In der Batterieforschung steht aktuell die Optimierung des Li-Ni-Mn-Co-Mischungsverhältnises im Hinblick auf Kostenersparnis, aber auch auf noch höhere Energiedichte und längere Haltbarkeit im Vordergrund.
In einer Kooperation von Münster Electrochemical Energy Technology ("MEET"; Universität Münster) und IQMT wurden nun die Materialentwicklung von Li_1.15Ni_0.2Mn_0.55Co_0.1O₂ in allen Batterie-Ladezuständen über eine große Anzahl von Betriebszyklen untersucht, und zwar gleichzeitig sowohl hinsichtlich des Ladungszustands der Ionen (elementspezifischer Charakterisierung der Rögenabsorbtionskanten; "NEXAFS") als auch hinsichtlich deren atomarer Anordnung (operando-Synchrotron-Röntgen-Diffraktometrie; "SXPD"). Hierbei zeigte sich, dass die hohe Kapazität dieses Materials nicht nur durch die Redox-Prozesse bei der Ausbildung einer kovalenten Ni-O-Bindung sowie einer O-O-Dimer-Bildung zustande kommt, sondern dass auch die Reduktion von Mn und Co eine wichtige Rolle spielt, allerdings erst nach der Bildung der O-O-Dimere im ersten Betriebszyklus. Während aber die O-O-Dimer-Bildung nach wenigen Zyklen zum Erliegen kommt, bleibt der Mn/Co-Redox-Prozess auch nach 100 Zyklen aktiv, allerding mit zunehmend geringerer Intensität, was wohl durch Materialdegradation beim Austritt von Mn und Co in die Elektrolyt-Lösung hervorgerufen wird. Ni-reiches Material scheint diesem Effekt entgegenzuwirken, trägt aber bei starker Li-Extraktion durch Freisetzung von Sauerstoff ebenfalls zur Degradation bei.

Bei sauberen und kontinuierlichen Phasenübergängen sind die räumlichen und zeitlichen Korrelationslängen eng mit der Dynamik des Systems verknüpft und entwickeln Potenz-Gesetz-Divergenzen bei Annäherung an den Phasenübergang. Bei gequenchter Unordnung bleiben die zeitlichen Korrelationen erhalten, aber im Fall eines räumlich variierenden Ordnungsparameters kann ein verschmierter Phasenübergang auftreten, bei dem sich geordnete Inseln in einer ungeordneten Volumenprobe ausbilden. Signifikante Ordnungsparameterschwankungen innerhalb der Inseln haben eine singuläre freie Energie in einer ganzen Parameterregion in der Umgebung des kritischen Punkts zur Folge ("Griffiths-Phase"). Bei T=0-Quantenphasenübergängen ("QPT") werden diese Effekte im Vergleich zum klassischen Fall verstärkt. Anzeichen einer solchen "Quanten-Griffiths-Phase" wurden nun in FeSe_1-xS_x mit x = 0.11 gefunden, wo die lokale Verteilung der isoelektronischen Se- und S-Atome zur Bildung nematischer Inseln in der Nähe des nematischen QPT führt. Zusätzliche Effekte wie die nematoelastische Kopplung unterdrücken aber offenbar die quantenkritischen nematischen Fluktuationen unterhalb einer Übergangstemperatur von 10 K. Hierdurch wird das Fermi-Flüssigkeits-Verhalten mit endlichen elektronischen Korrelationen wiederhergestellt: Quantenoszillationen bei den tiefsten Temperaturen belegen die Ausbildung einer Fermi-Fläche in einem topologischen Lifshitz-Übergang.

Im Mai dieses Jahres trat das IQMT offiziell dem Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum für Neutronenforschung als Kooperationspartner für das Neutronen-Dreiachsen-Spektrometer PUMA bei. Das IQMT - früher: Institut für Festkörperphysik (IFP) - kann damit seine lange Tradition in der Forschung mittels inelastischer Neutronenstreuung und deren Instrumentierung auch nach der Stillegung des Orphee-Reaktors in Saclay (Frankreich) fortsetzen. Die IQMT-Arbeitsgruppe Neutronenstreuung wird sich an der Weiterentwicklung der Messapparatur und an der Instituts-internen Forschung beteiligen und auch externe Nutzer von PUMA unterstützen. Dr. Alsu Gazizulina wird als Instrumentenwissenschaftlerin und Repräsentantin des IQMT an das MLZ delegiert.

Auf Seltene-Erden-Ionen basierende Einzelmolekülmagnete sind vielversprechende Kandidaten für magnetische Informationsspeicher einschießlich Qubits, da die eng um den Seltene-Erden-Atomkern lokalisierten 4f-Elektronen ein großes magnetisches Moment aufweisen. Deren starke Abschirmung von der Umgebung hat allerdings zur Folge, daß sich dieses magnetische Moment einem direkten elektronischen Zugriff entzieht. In einer Zusammenarbeit von KIT, RWTH Aachen, Universidad de Panama und CESQ Strasbourg konnte nun das Dy-Moment in Bis(phthalocyaninato)dysprosium (DyPc₂)-Molekülen auf Au(111) mittels milli-Kelvin-Rastertunnelmikroskopie indirekt ausgelesen werden. Ein ungepaartes Elektron auf dem Pc-Ligand führt zu einer Kondo-Resonanz, die aber durch die ferromagnetische Austauschwechselwirkung zwischen diesem ungepaarten Elektron und dem magnetischen Moment des Dy-Ions energetisch aufgespalten wird. Mit Spin-polarisierter Rastertunnelmikroskopie konnte nun durch Messung dieser Aufspaltung des Kondo-Zustands als Funktion des angelegten Magnetfelds das magnetische Moment des Dy-Ions indirekt bestimmt werden.

Im Rahmen der KIT Future Fields Initiative fand am 15.-16. September ein Workshop zu dem Thema Neutronenspektroskopie in Magnetfeldern statt. Experten aus mehreren Ländern präsentierten und diskutierten die experimentellen Möglichkeiten an europäischen Großforschungseinrichtungen [Institut Laue Langevin (Grenoble, Frankreich), Maier-Leibnitz Zentrum (Garching, Deutschland), Paul-Scherrer Institut (Villigen, Schweiz), ISIS Neutronenquelle (Rutherford, England)] und aktuelle Trends in der Entwicklung von zukünftigen Magneten. Insbesondere wurde die Verwendung von Magneten mit Horizontalfeldern in Bezug auf deren Anwendung und Relevanz für wissenschaftliche Fragestellungen erörtert.

Die französische Botschafterin Anne-Marie Descôtes war zu Besuch am KIT um sich mit KIT-Vizepräsident Thomas Hirth und Wissenschaftlern des KIT über Perspektiven der deutsch-französischen Zusammenarbeit auszutauschen. Thomas Hirth stellte das KIT und die intensive Kooperation des KIT mit Partnern in Frankreich vor, u.a. in der europäischen Universitätsallianz EPICUR, dem Oberrheinverbund Eucor und im French-German Institute for Industry of the Future, in dem das KIT mit Arts et Métiers zusammenarbeitet. Matthieu Le Tacon erläuterte die Bedeutung grenzüberschreitender Forschung und Lehre, die das KIT in Zusammenarbeit mit CNRS und der Université Grenoble Alpes betreibt.

Mehdi Frachet wurde mit einem KIT-Young-Investigator-Group-Preparation-Program-(YIG Prep Pro)-Stipendium ausgezeichnet.

Eine Arbeitsgruppe unter führender Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) untersuchte die Auswirkungen natürlicher Radioaktivität auf den Betrieb von supraleitenden Qubit-Schaltungen. Einfallende hochenergetische Teilchen brechen Cooper-Paare in Quasiteilchen auf und erzeugen hierdurch über die gesamte Chip-Fläche zeitlich und räumlich korrelierte Schauer solcher energiereicher Anregungen, die nicht nur die Qubits destabilisieren, sondern durch die kohärente Destabilisierung großer Schaltungsbereiche auch Qubit-Fehlerkorrektur-Schaltungen unwirksam machen können. Unter normalen Laborbedingungen wurde nun ungefähr alle 10 Sekunden das Auftreten eines solche Quasiteilchen-Schauers beobachtet. In einem Experiment im Untergrundlabor Laboratori Nazionali del Gran Sasso und unter Verwendung einer Bleiabschirmung konnte das Auftreten solcher Quasiteilchen-Schauer um einen Faktor 30 reduziert und die interne Dissipation in den supraleitenden Schaltungen um einen Faktor 2 - 4 abgesenkt werden: Dies belegt die erhebliche Bedeutung dieser nicht-thermischen Erzeugung von Quasiteilchen bei der Qubit-Betriebstemperatur ∼ 0.1 K, bei der thermische Quasiteilchen vollständig unterdrückt werden.

Aluminium ist derzeit das bevorzugte Material für supraleitende QuBit-Schaltungen. Bei Verkleinerung der Strukturen bis in den nm-Bereich macht sich aber die Körnigkeit der Mikrostruktur im elektrischen Verhalten bemerkbar, sodass Nanodrähte bei sehr tiefen Temperaturen je nach dem Schaltungszustand der als Josephson-Kontakte wirkenden Verbindungen zwischen den nm-großen supraleitenden Al-Körnern unterschiedlichstes elektrisches Verhalten zeigen können. Am IQMT wurde nun in Zusammenabeit mit dem PI(KIT), der MISIS Universität Moskau und der RMIT Universität Melbourne ein Verfahren entwickelt, bei dem der normalleitende Widerstand R_N solcher Nanodrähte gezielt um bis zu 3 Größenordnungen gesenkt und hierdurch wahlweise isolierendes, metallisches oder supraleitendes Verhalten eingestellt werden kann. Bei dieser internen Elektromigration ("IEM") werden bei einer sukzessiven Erhöhung der Stromstärke der Pulse offensichtlich jeweils die mit dem höchsten elektrisch Teilwiderstand verbundenen Körner voll supraleitend verbunden, sodass damit der Gesamtwiderstand als Funktion der Strompulsstärke in immer kleiner werdenden Stufen verringert werden kann. Die R_N-Variabilität ermöglichte die Bestätigung des theoretisch vorhergesagten Quantenphasenschlupf-Verhaltens ("QPS") von supraleitenden Nanodrähten. Durch die Dualität von Ladung und quantenmechanischer Phase ergibt sich damit die Perspektive zum Aufbau einer neuartigen, zu Josephsonkontakt-Schaltungen analogen QPS-Quantenelektronik.

In einer KIT-Zusammenarbeit von IQMT, INT, TFP und APH wurde die Elektrolumineszenz von einzelnen auf einer dünnen NaCl-Schicht auf einer Au(111)-Oberfläche adsorbierten H₂Pc-Molekülen untersucht. Im Rastertunnelmikroskop-Experiment wurde eine neue helle Emissionslinie entdeckt, die durch einen Vergleich mit den quantenchemischen Rechungen dem positiv geladenen Zustand des Moleküls zugeordnet werden konnte. Die theoretische Modellierung zeigte dabei, dass die Lichtemission des geladenen Moleküls um einen Faktor 19 effizienter ist als die des ungeladenen Moleküls, da sich dessen Struktur durch die Aufladung so verändert, dass das molekulare Dipolmoment eine vertikale Komponente entwickelt, welche die Auskopplung der im Molekül entstehenden Strahlung drastisch verbessert.

CsFe₂As₂ weist mit einem Sommerfeld-Koeffizienten von 180 mJ/(mol K²) den größten Elektronen-Beitrag zur spezifischen Wärme unter allen bekannten Fe-basierten Supraleitern auf, ein Wert der nur mit dem von Schwerfermionen-Materialien vergleichbar ist und die extrem starken elektronischen Korrelationen belegt. Mittels einer auf dem piezoelektrischen Effekt beruhenden Dehnungszelle konnte nun bei der Messung der Elastoresistanz, der Dehnungsabhängigkeit des elektrischen Widerstands, die thermische Ausdehnung neutralisiert und dadurch ein in der Fe₂As₂-Schichtebene weitgehend symmetrisches Antwortverhalten des Elektronensystems beobachtet werden. Eine bislang vermutete Divergenz der nematischen Suszeptibilität, der Brechung der Symmetrie bezüglich der Richtungen in dieser Ebene, kann somit ausgeschlossen werden. Die Messdaten lassen sich mit einem Schwerfermionen-Verhalten bei tiefen Temperaturen verstehen, das zu höheren Temperaturen hin aufgrund der hinsichtlich der Atomabstände extrem empfindlichen Orbital-selektiven Mott-Physik zu einer kontinuierlichen Abnahme der Kohärenz der schweren Quasiteilchen führt.

In einer Zusammenarbeit von CNRS-Université de Strasbourg, KIT und der Université PSL (Paris Sciences & Lettres) gelang ein weiterer Schritt hin zu einer auf Einzelmolekülen basierenden Schnittstelle zur Speicherung der Quanteninformation von kohärentem Licht in Atomkern-Spins: Bei 1.4 K konnte im Absorptionsspektrum eines auf zwei Eu(III)-Ionen basierenden Molekülkomplexes ein langlebiges spektrales Loch gebrannt werden, was eine effiziente Polarisation des Grundzustands der Spins der Seltene-Erden-Ionen belegt, die sich in Form einer optischen Kohärenz-Lebensdauer T_2opt=14.5±0.7 ns und einer Grundzustands-Populations-Lebendauer der Kernspins T_1spin=1.6±0.4 s quantifizieren lässt. Dies ist eine Grundvoraussetzung für eine rein optische Initialisierung und Adressierung von Kernspins.

In einem internationalen Gemeinschaftsprojekt mit Beteiligung des IQMT wurden mittels Raman-Streuung die nematischen Fluktuationen in FeSe_1-xS_x-Einkristallen als Funktion des Schwefelgehalts x zu beiden Seiten des nematischen quantenkritischen Punkts (QCP) x_c ≈ 0.17 untersucht. Die Raman-Spektren im nematischen B_1g-Kanal setzen sich aus zwei Komponenten zusammen, von denen aber nur diejenige mit der geringeren Energie klare Anzeichen von kritischem Verhalten zeigt und den frei beweglichen Landungsträgern zugeordnet wird. Dies passt zu dem physikalischen Bild eines Hund-Metalls, in dem sich die elektronischen Freiheitsgrade aufspalten in frei bewegliche Landungsträger und lokal gebundene Momente. Eine Curie-Weiss-Analyse der mit den Letzteren assoziierten nematischen Suszeptibilität deutet auf einen substantiellen Effekt der nemato-elastischen Kopplung hin, die eine Verschiebung des nematischen QCP zur Folge hat und das Ausbleiben einer Erhöhung der supraleitenden Sprungtemperatur am QCP erklären könnte.

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.

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.

Der Dominique-Givord-Preis, 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 Einzelmolekül-Magneten, Magnetisierungstunneln and molekularer Spintronik.

Für FeSe und Ba(Fe_1-xCo_x)₂ As₂ (x = 0.03, 0.06) wurde mittels inelastischer Röntgenstreuung die Dispersion des weichen transversal-akustischen Phonons gemessen und daraus die nematische Korrelationslänge ξ abgeleitet. 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.

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.

Der nematische elektronische Zustand und damit verbundenenen Fluktuationen werden als Kandidat für den Mechanismus der Cooperpaar-Bildung in Supraleitern diskutiert. In FeSe_0.89S_0.11 konnte durch Kombination von chemischem und hydrostatischem Druck ein nematischer Quantenphasenübergang untersucht werden, bei dem keine konkurrierenden magnetischen Phasen diesen 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.

Mit ferromagnetischen FePt-Nanopartikeln wurde bei Raumtemperatur 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 üer 1.8 T gesteigert werden. Diese außergewöhnliche Magnetisierung und Anisotropie wurde durch verschiedene Abbildungs- und Spektroskopie-Methoden bestätigt.

Mittels hochauflösender inelastischer Röntgenstreuung wurde am Hochtemperatur-Supraleiter YBa₂Cu₃O_6.67 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.

Bei der Untersuchung der Gitterschwingungen in Streifen-geordnetem La_2-xBa_xCuO₄ und deren Kopplung an die Ladungsdichtewelle ("CDW"). zeigte sich, dass die bei hohen Temperaturen auftretenden CDW-Fluktuationen eine andere Periodizität als die statische CDW besitzen, aber die gleiche Periodizität wie YBa₂Cu₃O_6+δ, was durch Kopplung zwischen der CDW und Spin-Korrelationen zustande kommen kann. Dies erklärt die unterschiedlichen Wellenvektoren bei YBa₂Cu₃O_6+δ und La_2-xBa_xCuO₄ und legt einen gemeinsamen Ursprung der CDW-Instabilitäten in verschiedenen Kupraten trotz unterschiedlicher Ordnungs-Wellenvektoren nahe.

Das magnetische Phasendiagramm von KFe₂As₂ in der Umgebung des oberen kritischen Felds zeigt bei exakter Ausrichtung des Felds entlang der FeAs-Lagen einen deutlich zweifachen Übergang und eine charakteristische 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 ("FFLO")im Fe-basierten Supraleiter KFe₂As₂.

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

Im Hinblick auf kostengünstige, aber dennoch hochempfindliche und -selektive Gas-Sensoren zur zuverlässigen Umweltüberwachung wurden TiO_x-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.

Die quasi-2d antiferromagnetische Ordnung in Ca₂RuO₄ wurde als Kondensat von energetisch tief liegenden Spin-Bahn-Exzitonen mit Drehimpuls J_eff=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.

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.

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.

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.

Antiferromagnetische Mn₅Si₃-Einkristalle wiesen einen auszlig;erordentlich groszlig;en, 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.