Ab Initio Theorie der Supraleitung zweidimensionaler Systeme

Ziel dieses Projektes ist die ab initio Untersuchung von Supraleitung in zweidimensionalen Übergangsmetalldichalkogeniden. Jüngste Studien haben gezeigt, dass abgesehen von der atomaren Zusammensetzung und Anordnung, die Dimensionalität von Materialien einen entscheidenden Einfluss auf deren physikalische Eigenschaften hat. Die Übergangsmetalldichalkogenide sind eine Materialklasse, in der sich diese Abhängigkeit von der Dimensionalität sehr deutlich zeigt. Darüber hinaus sind sie in ihrem chemischen Aufbau höchst flexibel, woraus eine Vielzahl an verschiedenen Strukturen und Verbindungen mit einer reichen Palette an unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften resultiert. So finden sich unter ihnen sowohl isolierende, halbleitende, aber auch metallische Verbindungen, was diese Materialien besonders interessant für technologische Anwendungen in den Bereichen der Nano- und Optoelektronikmacht. Mögliche Einsatzgebiete sind zumBeispiel Monolagen- Feldeffekttransistoren, flexible elektronische Bauteileund neuartige Energiespeicher.Die Übergangsmetalldichalkogenide sind außerdem für die Grundlagenforschung von großem Interesse, da sie auch faszinierende Phasen kollektiver Anregungen bei tiefen Temperaturen aufweisen, wie zum Beispiel Ladungsdichtewellen und Supraleitung. Mitdiesem Projektmöchteich zueinem besseren Verständnisderfundamentalen quantenmechanischen Effekte beitragen, die zum supraleitenden Verhalten in zweidimensionalen Übergangsmetalldichalkogenide führen. Ich werde die Wechselwirkungen von Phononen und Elektronen genau studieren und Eigenschaften der supraleitenden Phase quantitativ bestimmen. Dazu werde ich ab initio Methoden verwenden, die auf den Greenschen Funktionen der Vielteilchentheorie beruhen. Zusätzlich werde ich ein numerisches Verfahren entwickeln, das mir erlaubt, charakteristische Größen der Supraleitung, wie die supraleitende Sprungtemperatur, ohne phänomenologische Parameter bestimmen zu können. Die Verfügbarkeit einer solchen Methode wird es uns auch ermöglichen, neue supraleitende Materialien mit festgelegten physikalischen Eigenschaften am Computer vorherzusagen. Ich bin davon überzeugt, dass die Ergebnisse dieses Projektes von großem Interesse für die Wissenschaftsgemeinde wären und entscheidend zu einem besseren Verständnis zweidimensionaler Systeme und der Supraleitung im Allgemeinen beitragen würden.

Es war das Ziel dieses Projektes, die supraleitende Phase von in Schichten aufgebauten Materialien auf mikroskopischer Ebene, völlig ohne phenomenologische Parameter und so detailliert wie möglich zu beschreiben. Um dies zu erreichen, wurden effiziente und genaue Methoden eingesetzt, die es ermöglichen, die elektronischen Eigenschaften sowie die des Kristallgitters zu berechnen. Weiters mussten die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Ionengitter, wie auch zwischen den Elektronen selbst höchst akkurat bestimmt werden. All das ermöglichte es uns, die wesentlichen Eigenschaften der supraleitenden Phase, wie zum Beispiel den Elektron-Phonon Kopplungsparameter, die supraleitende Sprungtemperatur, und die Energiedistribution der supraleitenden Energielücke. In unserer ersten Studie konzentrierten wir uns auf die Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften von NbS2, und konnten als erste das experimentell gemessene Zwei-Energielücken Verhalten theoretisch ohne phenomenologische Parameter oder Modelle verifizieren. In der selben Arbeit haben wir festgestellt, dass dieses Material deutlich komplexer ist als anfangs angenommen, da dieses Material nicht nur eine supraleitende Phase aufweist, sonder seine Gitterstruktur auch eine Instabilität in Bezug auf die Ausbildung von Ladungsdichtewellen zeigt. Diese neuen Erkenntnisse bewegten uns dazu, eine neue numerische Methode zu imple-mentieren, mit er es möglich ist, die starken, anharmonischen Korrekturen der Gitterschwingungen zu bestimmen, die nahe einer Gitterinstabilität auftreten. Die selbe Methode haben wir in Folge in einer Studie über SnSe2 eingesetzt, um zusammen mit Experimentatoren das Verhalten dieses Materials bei steigendem Umgebungsdruck bestimmen zu können. Abgesehen von weiteren Studien zur Supraleitung in SnSe2 und TaSe2, und angespornt duch unsere Erfolge in der Beschreibung der supraleitenden Phase in diesen Schichtstrukturen, haben wir uns auch der derzeit hochaktuellen Klasse der Hydrid-Supraleitern gewidmet. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass diese Hydride bei extrem hohen Drücken um die 300 GPa die höchsten bisher gemessenen supraleitenden Sprungtemperaturen aufweisen. Auf der Suche nach weiteren Hochtemperatur-Supraleiter wurden unter anderem Eisen-Hydride als vielversprechende Materialgruppe ins Spiel gebracht. Nach einer genauen Analyse ihrer Eigenschaften ihrer Eigenschaften haben wir jedoch festgestellt, dass diese Materialien nur sehr schlechte Supraleiter sind. Andererseits zeigen wir in unserer neuesten Arbeit, dass Yttrium-Hydride durchaus das Potential haben, Raumtemperatur-Supraleitung bei extremen Drücken aufzuweisen, und mit den erlangten Einsichten und neuen Erkenntnisse über den Mechanismus der Supraleitung in diesen Hydriden wird es möglich sein, noch effektiver und genauer nach neuen Hochtemperature-Supraleitern zu suchen.