Forschungsprofil

Das Institut PGI-1/IAS-1 – Quanten-Theorie der Materialien berechnet und analysiert die mikroskopischen Eigenschaften von Festkörpern aus den grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik im Sinne der Grundlagenforschung und praktische Anwendungen. Unsere Forschung deckt wichtige Bereiche der Theorie der kondensierten Materie und der Computer gestützten Materialwissenschaften ab und hat enge Schnittstellen mit Experimenten. Unser Ziel ist es, ein mikroskopisches Verständnis der elektronischen Phänomene, Funktionalitäten und Eigenschaften von neuen Materialien, die für die Nanoelektronik und zunehmend auch für die Energie Forschung interessant sind.

Wir erforschen die elektronischen, strukturellen, magnetischen, ferroelektrischen, multiferroischen und Transport-Eigenschaften von komplexen Festkörper-Systemen wie große organische (einschließlich biologischer) Moleküle, Graphen, niedrig-dimensionalen Magneten, Nanostrukturen, Grenzflächen-Materialien, magnetische Multischichten, oxidischen Heterostrukturen, Hybrid- und Phasenwechsel-Materialien. Wir untersuchen die Diffusion von Atomen, große Defekte und ungeordnete Festkörper relevant für die Nanoionik. Wir betrachten elektronische Transporteigenschaften über Grenzflächen, planare, transversale und topologische Transportphänomene, Spin-Kalorik, Spin-Relaxationsmechanismen und Spin-Dynamik, Spin induziertes Drehmoment und Schalten, elektronische und magnetische Anregungen. Wir untersuchen das Quasiteilchenverhalten der topologischen Isolatoren, von Photovoltaik-Materialien, Oxiden und Übergangsmetallen, das eine Folge von elektronischen Korrelationen ist. Wir analysieren die Physik stark korrelierter Materialien wie Übergangsmetalloxide. Weitere Forschungsbereiche sind die nanoskalige Tribologie, einschließlich Reibung, plastische Verformung, Haftung und Sprödbruch. Wir nutzen unsere eigenen Rechencluster und die Hochleistungsrechner im Jülich Supercomputing Centre (JSC).

Wenn es das Thema oder Inhalt hergeben, sind wir auch offen mit der Industrie an praktischen Anwendungen interagieren. Hier ein markantes Beispiel für eine wirkungsvolle Zusammenarbeit zwischen Theorie und Industrie: Warum haften Reifen auf der Straße? Kürzlich haben theoretische Physiker unseres Instituts die Ursache für die Reibungskraft auf Gummiblöcken untersucht, wenn diese entlang eines rauen Substrates gleiten. Dies ist vergleichbar mit einem Reifenprofil auf einer Straße. Die neue Theorie hilft dabei, die Zusammensetzung von Reifen schneller zu optimieren, ohne zahlreiche Probereifen herzustellen. Die einzigen Informationen, die zur Berechnung der optimalen Haftung nötig sind - die Elastizität eines kleinen rechteckigen Stücks Gummi und wie der Gummi Stöße abfängt. Während ihrer Untersuchungen haben die Wissenschaftler im Detail verstanden, wie die Gummireibung von der Rauigkeit des Substartes und der Gleitgeschwindigkeit abhängt.