Forschungsschwerpunkte der AG von Prof. Dr. Michael Lang

Die Arbeitsgruppe befasst sich mit ungewöhnlichen Festkörpereigenschaften, die in Folge stark wechselwirkender Elektronen und Spins auftreten. Im Kern geht es dabei um folgende Fragen:

Wie verhalten sich Quantenobjekte (Elektronen oder nur deren magnetischer Anteil, die Spins), wenn ihre Bewegung durch die gegenseitigen Wechselwirkungen stark eingeschränkt ist, so dass das Verhalten jedes einzelnen von dem aller anderen in komplexer Weise abhängt? Was sind die entscheidenden Ordnungsmechanismen, die das kollektive Verhalten eines solchen korrelierten Gesamtsystems bestimmen? Was sind die Eigenschaften einer solchen neuen Form von Ordnung?  

Starke Wechselwirkungen (Korrelationen) führen im Allgemeinen zu ganz überraschenden, häufig spektakulären Phänomenen. Hierzu zählen u.a. neuartige Formen der Supraleitung oder magnetische Zustände (Magnete ohne Ordnung), deren Eigenschaften eher an Flüssigkeiten (Spin-Flüssigkeiten) erinnern.

Um diese Phänomene im Detail zu verstehen, aber auch um neue Korrelationseffekte aufzuspüren, setzen wir die Elektronen und Spins besonderen, z.T. extremen Bedingungen aus. Als Studienobjekte eignen sich vor allem metallorganische Festkörper, bei denen die wichtigen Wechselwirkungsparameter auf physikalischem Weg (Anwendung von äußerem Druck oder Magnetfeld) oder durch chemische Variation (Substitution einzelner Komponenten) gezielt verändert werden können. 

Zu folgenden Themenbereichen werden Forschungsarbeiten durchgeführt:

  • Ungewöhnliche Zustände (wie anomale Metalle, Multiferroika, unkonventionelle Supraleiter) in der Nähe eines Wechselwirkungs-induzierten Metall-Isolator (Mott) –Übergangs, mit besonderem Fokus auf der Rolle antiferromagnetischer Ordnung, dem Einfluss frustrierender magnetischer Wechselwirkungen oder der Dimensionalität sowie der Kopplung an die Gitterfreiheitsgrade.   
  • Wechselspiel von Supraleitung mit magnetischen und strukturellen Phasenübergängen in Eisen-Pniktid Supraleitern.
  • Kollektives Verhalten in neuen Materialien mit starken Korrelationen, insbesondere von Molekül-basierten Systemen mit hohem Grad an Flexibilität. 
  • Eigenschaften niedrigdimensionaler Spinsysteme, insbesondere unter Berücksichtigung von frustrierenden Wechselwirkungen. Die besonderen Eigenschaften von Spin-Liquids und das Verhalten in der Nähe von Magnetfeld- oder Druck-induzierten Quantenphasenübergängen.

Die Materialien der Wahl sind Verbindungen, die mindestens eine organische oder Molekül-basierte Komponente enthalten. Bei den metallischen Systemen sind dies insbesondere organische Ladungstransfersalze, wo ein stabiles organisches Radikal (wie bspw. das BEDT-TTF Molekül) mit verschiedenen anorganischen Akzeptor-Komplexen verknüpft wird.

Im Bereich der Quantenspinsysteme werden insbesondere Übergangsmetallionen mit teilweise gefüllter d-Schale oder stabile organische Radikale als funktionelle Gruppen eingesetzt. Diese magnetischen Bausteine werden mit verschiedenen Linkern, meist organischer Natur, zu ausgedehnten wechselwirkenden Systemen verknüpft.

Allen Systemen ist ein hoher Grad an Flexibilität gemein, die es erlaubt, das wechselwirkende Vielteilchensystem unter Variation chemischer und physikalischer Parameter systematisch zu untersuchen.