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umfassende Studie hat gezeigt, dass sich Streuexperimente ideal dazu eignen, einen tiefen Einblick in
elektronische Korrelationsphänomene in diesen komplexen Materialien zu erhalten, die
vielversprechende Eigenschaften für die Anwendung aufweisen.
Die Kombination der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT) mit der Dichtefunktionaltheorie in
lokaler Dichtenäherung (LDA) bietet einen neuen und vielversprechenden Weg zur Beschreibung
realer Materialien mit starken Elektronen-Wechselwirkungen. Wir haben diesen Ansatz angewandt,
um die Art des korrelationsgetriebenen Metall-Isolator (Mott)-Übergangs zu untersuchen. Mit Hilfe der
Quanten-Monte-Carlo-Methode wurde gezeigt, dass bei niedrigen Temperaturen interorbitale
Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Elektronen in verschiedenen Orbitalen eher einen einzigen
Übergang erster Ordnung als Übergänge für jedes Orbital erzeugen. Diese theoretischen
Vorhersagen wurden unlängst durch hochauflösende winkelaufgelöste Photoemissionsmessungen
bestätigt. Eine zweite von uns bearbeitete Fragestellung fokussierte sich auf die Frage, inwieweit
statische oder dynamische Wechselwirkungen zwischen Elektronen die Physik in
Übergangsmetalloxiden bestimmen. Hierfür schauten wir uns Vanadiumdioxid an, das in der
Rutilphase metallisch und in der monoklinen Phase isolierend ist. In beiden Phasen wechselwirken die
Elektronen stark. Wir fanden in der monoklinen Phase, dass die Peierls-Verzerrung zwischen den
Vanadiumatomen zu einer starken Ausbildung einer Bildung zwischen den Elektronen führt, was
starke statische Korrelationen erzeugt, die sich als Hauptursache für das isolierende Verhalten
erwiesen. Andererseits zeigt die Rutilphase eine schwache statische aber große dynamische
Korrelation.
Das Interesse an Phasenübergängen unter schnell wechselnden externen Bedingungen wurde im
Zusammenhang mit kosmologischen Vorstellungen geweckt, wo das sich schnell ausdehnende
Universum abkühlt und eine Reihe von Phasenumwandlungen durchläuft. Analoge Szenarien treten
bei Phasenübergängen in Feststoffen und Flüssigkeiten auf. Während die Kinetik von Übergängen
erster Ordnung gründlich entwickelt ist, erwies sich die Situation als weniger klar für Übergänge
zweiter Ordnung. Wir betrachten die Bildung eines Bose-Einstein-Quantenkondensats, z.B. ein
Exzitonengas in einem Kristall, unter externer Kühlung und weisen eine überraschende Analogie mit
Übergängen erster Ordnung nach. Beispielsweise wird gezeigt, dass ein einzelnes Instanton in der
supraflüssigen Phase unter Bildung von Wirbeln entsteht. - Diese Arbeit wurde von der russischen
Akademie der Wissenschaften als einer der drei herausragenden Beiträge des Jahres in der
Tieftemperaturphysik ausgezeichnet.
Von elektronischer Struktur zu magnetischen Phasen
Elektronen an der Oberfläche eines Festkörpers bewegen sich in Anwesenheit eines elektrischen
Kristallfelds. Ein sich in einem elektrischen Feld bewegendes Elektron unterliegt in seinem eigenen
Bezugssystem einem magnetischen Feld, das mit seinem eigenen Spin wechselwirkt. Dieser Effekt ist
als Rashba-Effekt bekannt und kann für Bauelementkonzepte neuer Spintransistoren oder -sensoren
genutzt werden. Dass diese Wechselwirkung immer an einer Oberfläche vorliegt, wurde bisher
übersehen und hat Folgen für ferromagnetische Oberflächen. Von links nach rechts oder von rechts
nach links wandernde Elektronen im selben Zustand haben nicht dieselbe Energie. Dies eröffnet die
Möglichkeit, diesen Effekt als neuen Detektor für Grenzflächen- und Oberflächenmagnetismus zu
nutzen. Kürzlich wurden mehrere dieser theoretischen Betrachtungen experimentell beobachtet.
Magnetische Anisotropie in einer Richtung an der Grenzfläche zwischen einer ferromagnetischen und
einer antiferromagnetischen dünnen Magnetschicht tritt infolge einer direkten magnetischen Kopplung
auf. Dieser so genannte "exchange bias"-Effekt ist unabdingbare Voraussetzung für jede
Sensoranwendung. Unlängst wurde die Magnetisierungsumkehr in Exchange-Bias-Systemen
eingehend von verschiedenen Gruppen mit widersprüchlichen Ergebnissen untersucht: In einigen
Fällen wurde die Umkehr über eine Bildung magnetischer Domäne beobachtet, in anderen Fällen über
kohärente Rotation. Durch Nutzung des Spins von Neutronen und Einsatz von Neutronenstreuung
unter streifendem Einfall mit Spinpolarisationsanalyse und Photoemissionsmikroskopie konnten wir
dieses Rätsel lösen. Wir konnten nachweisen, dass der Exchange-Bias-Effekt von der Korngröße der
Schichten abhängt und dass die Schichten in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke je nach
Korngröße nacheinander umklappen. In hochschnellen Magnetisierungsumkehrversuchen konnten wir
die transiente Magnetisierungsverteilung durch Photoemissionsmikroskopie direkt sichtbar machen
und die Rolle inkohärenter Rotationsprozesse hervorheben. Wir fanden auch Hinweise für die Bildung
magnetischer Eigenmoden, was die Perspektive zur Durchführung ferromagnetischer
Resonanzexperimente mit sehr hoher lateraler Auflösung eröffnet.
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