Focusing on the inhomogeneity in the position of a quantum phase transition of so called strange metals provides answers to key puzzles in high-temperature superconductivity

Chiralität bezieht sich auf eine Struktur, die keine Spiegelsymmetrie aufweist. Sie kann in einer Vielzahl von Systemen beobachtet werden, von subatomaren Teilchen und Molekülen bis hin zu lebenden Organismen. Die zugrundeliegenden Mechanismen, die zur Entstehung von Chiralität in kondensierten Materiesystemen führen, sind jedoch Gegenstand erheblicher Forschungsinteressen. Hier beleuchten wir den Mechanismus der Bildung einer chiralen Ladungsdichtewelle im Übergangsmetall-Dichalcogenid 1T-TiSe₂.

Photon-mediated long-range coupling of two Andreev pair qubits
In einer kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Arbeit [Cheung et al. Photon-mediated long-range coupling of two Andreev pair qubits. Nat. Phys. (2024)] haben Forscher der Universität Basel und des KIT gezeigt, dass mit den Werkzeugen der Kreislauf-Quantenelektrodynamik (cQED) entfernte Andreev-Quantenbits (Qubits) gekoppelt werden können.

Wir untersuchen die Hochdruckphase des eisenbasierten Supraleiters FeSe_0.89S_0.11 mit Hilfe von Transport- und Tunnel-Dioden-Oszillations-Verfahren unter Verwendung von Diamantstempelzellen.

Mit Hilfe des anomalen Hall- und Nernst-Effekts sowie einer Symmetrieanalyse der vorgeschlagenen magnetischen Strukturen wurde eine symmetriebrechende Modifikation des magnetischen Zustands mit einer Umordnung der magnetischen Momente bei niedrigen Temperaturen gefunden, wodurch die zuvor berichteten Modelle für die nichtkollineare magnetische Struktur in Frage gestellt werden, die aus der Neutronenstreuung gewonnen wurden.

Die magnetische Textur in einer Eisen-Monolage auf einer Iridium-(111)-Oberfläche ist räumlich moduliert und weist eine einachsige inkommensurable Struktur auf, sodass eine Phason-Mode, eine niederenergetische Anregung, die dem Gleiten der Textur entlang dieser Richtung entspricht, erwartet wird, was nun durch Spin-Simulationen bestätigt und experimentell mittels Rastertunnelmikroskopie beobachtet wurde.

Eine Untersuchung der Quantenoszillationen von tetragonalem FeSe_0.82S_0.18 unter einem Druck von bis zu 22 kbar ergab, dass sich die quasi-zwei-dimensionalen Fermiflächen mit zunehmendem Druck ausdehnen und die effektiven Massen groß bleiben, während die kritische Übergangstemperatur zur Supraleitung T_c um das Dreifache zunimmt.

Die erfolgreiche Herstellung freitragender multiferroischer TbMnO₃-Membranen ermöglicht die Untersuchung der elastischen Eigenschaften und der magneto-elektrischen Kopplung unter dem Einfluss kontinuierlicher Dehnung.

Die Ausbildung einer Ladungsdichtewelle (CDW) im magnetischen Kagome-Material FeGe innerhalb der antiferromagnetischen Phase (AFM) lässt sich durch die ungeordnete Bildung von Dimeren aus Ge-Atomen erklären, die aus den Fe₃Ge-Lagen heraustreten (Ge1a → Ge1b).

In einer experimentellen Untersuchung von Zwei-Niveau-Systemen (TLS) in granularen Aluminium-Dünnschichten unter mechanischer Belastung und elektrischen Feldern wurde eine Klasse von stark gekoppelten TLS mit elektrischen Dipolmomenten von bis zu 30 eÅ gefunden, eine Größenordnung größer als die Dipolmomente, die üblicherweise für Festkörperdefekte berichtet werden.

Mit Na_2/3Mn_7/12Fe_1/3Ti_1/12O₂ (NMFTO) als optimiertem Kathodenmaterial für Na-Ionen-Batterien wurde eine eine anfängliche Entladekapazität von 170 mA h g-1 bei einer Rate von 0.1 C und eine Kapazitätserhaltung von 80 % nach 50 Zyklen erreicht.

Thermodynamische Volumen-Messungen (hochauflösende Wärmeausdehnung, Wärmekapazität, Elastowiderstand) an CsV₃Sb₅-Einkristallen zeigen eine starke Konkurrenz zwischen den Ladungsdichtewelle- (CDW) und den Supraleitungs-Zuständen, die durch Abstimmung der kristallographischen c-Achse dramatisch beeinflusst wird, wobei die CDW einen stark erhöhten A_1g-symmetrischen Elastowiderstand aufweist.

Mit dem neuen Messinstrument NAPXAS (Near Ambient Pressure X-ray Absorption Spectroscopy) können Energieumwandlungs- und Alterungsprozesse in Batterie-Energiespeichersystemen quasi unter nasschemischen Normalbedingungen während des Batterie-Betriebs spektroskopisch untersucht werden.

Die Untersuchung von unterdotiertem YBa₂Cu₃O_y unter uniaxialer Spannung als externem Abstimmungsparameter mittels der Beugung von harter Röntgenstrahlung zeigte einen Wettbewerb zwischen 2D- und 3D-Ladungsdichtewellen-Ordnungen, die gleichzeitig mit der Supraleitung konkurrieren.

Höherharmonische Abweichungen der Strom-Phasen-Beziehungen von AlO_x-Josephson-Tunnelkontakten von der Standard-Sinusform, wie sie aus experimentellen Energiespektren verschiedener Transmon-Schaltungen extrahiert wurden, weisen auf eine mögliche Optimierungsstrategie für supraleitende Qubit-Schaltungen hin.

Die Untersuchung des Ladungsdichtewellen-Übergangs (CDW) in 2H-TaSe₂ durch inelastische Röntgenstreuung (IXS) mit meV-Auflösung zeigt, dass es einen ausgedehnten Temperaturbereich zwischen T^* = 128.7 K und der eigentlichen Ordnungstemperatur des inkommensurablen CDW-Zustand T_CDW = 121.3 K gibt, in dem bereits eine vollständige Aufweichung eines longitudinalen akustischen Phonons bei q_CDW = (0.323,0,0) auftritt, d.h. es gibt ein Temperaturfenster, in dem als überdämpfte Phonon-Moden beobachtete Gitterfluktuationen mit statischen, aber nur mittelgroßen CDW-Domänen koexistieren, die dann erst bei T ≤ T_CDW einen langreichweitig geordneten Zustand bilden.

Eine neuartige Präparationstechnik für die mechanische Integration von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) in Elektronikschaltungen ermöglicht durch wesentlich transparentere CNT-Metall-Grenzflächen die Realisierung von supraleitenden Qubits oder flussgesteuerter Optomechanik auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren.

Ein vom KIT koordiniertes EU-Projekt hat die Weiterentwicklung eines störungsunempfindlichen quantenlimitierten Mikrowellenverstärker-Bauelements ( "TruePA": "Truly Resilient Quantum Limited Traveling Wave Parametric Amplifiers") zum Ziel, das als Schlüsselkomponente zur Verstärkung von schwachen elektromagnetischen Signalen in Quanten-Kryptographie, -Kommunikation oder -Computing eingesetzt werden könnte.

Die Vergrößerung der π-Elektronensysteme der Fußsubstituenten des tripodalen Gerüstmoleküls ermöglichte die spektral und räumlich aufgelöste Beobachtung der heißen Lumineszenzbanden von einzelnen selbstentkoppelten Chromophoren.

Amir-Abbas Haghighirad gehört wie schon in den letzten drei Jahren auch in diesem Jahr zusammen mit vier weiteren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des KIT zu den "Highly Cited Researchers" des Jahres 2023, einer Rangliste, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aufführt, deren Publikationen zwischen Januar 2012 und Dezember 2022 am häufigsten zitiert wurden.

In einer piezo-basierten einachsigen Druckzelle zur Abstimmung des ultrareinen Metalls Sr₂RuO₄ und der Messung der Spannungs-Dehnungs-Beziehung wurde eine riesige Gittererweichung festgestellt, die auf einen Lifshitz-Übergang einer zweidimensionalen Fermi-Fläche zurückgeführt werden konnte, d.h., die Gittererweichung wird ausschließlich von den Leitungselektronen des betreffenden Energiebandes verursacht.

Das auf 6 Jahre angelegte internationale Projekt „Quantum Technologies for Axion Dark Matter Search“ (kurz: „DarkQuantum“) erhält ein mit 12.9 Mio. € Fördersumme, davon rund 2 Mio. € für das KIT, ausgestattetes ERC Synergy Grant zum Aufbau eines auf supraleitenden Qubits als extrem rauscharmen Detektoren basierenden Systems zum experimentellen Nachweis von Axionen, bisher hypothetischen Elementarteilchen, die als vielversprechende Kandidaten für die Dunkle Materie gelten.

Durch die kombinierte Messung der Schallgeschwindigkeiten und der Dichte einer Rhenium-Probe in einer Diamant-Ambosszelle mittels inelastischer Röntgenstreuung und Röntgenbeugung konnte eine primäre Druckskala erstellt werden, die bis zu den im Erdkern vorherrschenden Multimegabar-Drücken reicht und zu dem Schluss führt, dass das derzeitige Bild der Physik des Erdkerns revidiert werden muss.

Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie konnte die Windungszahl einzelner Vortices in Pb im Zwischenzustand bei mK-Temperatur aus der räumlich aufgelösten Abbildung der Wellenfunktion ihrer Caroli-de-Gennes-Matricon-Bindungszustände bestimmt werden.

In Heterostrukturen mit durch proximity-Effekt magnetischem SrIrO₃ wurde eine riesige Variation der anomalen Hall-Leitfähigkeit und des Hall-Winkels als Funktion der angelegten Gate-Spannung V_g um bis zu 700 % erreicht.

Jörg Schmalian erhält den Physik-Preis Dresden des Jahres 2023 als Auszeichnung seiner Forschung auf dem Gebiet der Theorie der Kondensierten Materie und als Anerkennung seiner Verdienste um die Förderung der engen Zusammenarbeit des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) und der TU Dresden.

In einer Zusammenarbeit der FU Berlin, der Princeton University, der Hebrew University of Jerusalem und des KIT wird vorgeschlagen, Nicht-Reziprozität zu nutzen, um die Robustheit der kontinuierlich variablen Verschränkung von sich ausbreitenden Moden gegen thermische Fluktuationen zu verbessern, indem durch das Aufbrechen der Reziprozität hochreine verschränkte Zustände in einer Zwei-Moden-Squeezing-Wechselwirkung und unter Ausnutzung paarweiser Gauß'scher Wechselwirkungen erzeugt werden, was sich gut für eine parametrische Schaltkreis-QED-Implementierung eignet, z. B. als supraleitende Schaltung.

Die Substitution von Co²⁺-Ionen in Methylammonium-Blei-Triiodid (MA(Pb:Co)I₃) bewirkt ein magnetisches Verhalten des Materials, das aber zumindest bei geringen Co-Konzentrationen seine photovoltaische Leistungsfähigkeit beibehält.

Für eine Sub-Monolage von Fe(II)-Spin Crossover (SCO)-Komplex-Molekülen, die auf durch eine Au-Monolage passivierten Co-Filmen auf Au(111) deponiert wurden, wurde gezeigt, dass die SCO-Komplexe im Zustand mit hohem Spin (HS) ferromagnetisch mit dem ferromagnetischen CO-Film wechselwirken, aber dennoch in den Zustand mit niedrigem Spin (LS) umgeschaltet werden können.

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 wurde mittels in-situ-Synchrotron-Pulverdiffraktion und Nahkanten-Röntgenabsorptions-Feinstruktur-Spektroskopie untersucht.

Mit STM konnte die Elektrolumineszenz von direkt auf einem Au(111)-Substrat deponierten einzelnen 2,6-core-substitutierten Naphthalen-Diimid-Moleküle aktiviert werden.

Für BaNi₂As₂ konnte mittels energieaufgelöster inelastischer Röntgenstreuung und direkten Vergleich mit ab-initio-Dichtefunktional-Rechnungen eine Phonon-Instabilität als Ursache für den Übergang in den Inkommensurable-Ladungsdichtewellen-Zustand ermittelt werden.

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 einer einfachen Qubit-Schaltung mit Kohärenzzeiten im Mikrosekundenbereich als gleichwertig zu den derzeit hierfür verwendeten Al–AlO_x–Al Supraleiter-Isolator–Supraleiter (SIS) erwiesen und technische Vorteile für den Aufbau komplexere Qubit-Schaltung bieten.

Magnetotransportuntersuchungen von dünnen FeSe-Plättchen zeigen eine ungewöhnliche Asymmetrie der Beweglichkeiten von Elektronen und Löchern in der nematischen elektronischen Phase: Die lochartigen Quasiteilchen sind im Vergleich zu dem Verhalten in FeSe Volumenproben leichter und haben eine um einen Faktor 3 reduzierte Quantenstreuzeit, wohingegen die negativen Ladungsträger bei Verringerung der Dimensionalität immer stärker lokalisiert werden.

In BaNi₂As₂ wurde eine starke Aufspaltung von zweifach entarteten Phononenlinien im Temperaturbereich weit oberhalb der Symmetriebrechung beobachtet, die einem dynamischen Effekt zugeordnet wird, nämlich einer besonders starken Kopplung dieser Phononen an Fluktuationen zwischen entarteten nematischen Elektronen-Konfigurationen.

Einzelne mit Dichlorbenzol-Molekülen modifizierte und mit Graphen-Elektroden kontaktierte (7, 5)-Kohlenstoff-Nanoröhren zeigten in Elektrolumineszenz-Spektroskopie 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.

Mit Hilfe einer auf Piezoaktoren basierenden Messanordnung wurde experimentell das Phasendiagramm von Sr₂RuO₄ ermittelt, indem Vorzeichenwechsel der elastokalorischen Antwortfunktion als Funktion der Temperatur als Phasenübergänge identiziert werden konnten.

Der charakteristische Wellenwiderstand von langen Josephson-Kontakten konnte durch die Verwendung von dünnen Filmen eines Supraleiters mit einer hohen kinetischen Induktivität um eine Größenordnung erhöht werden, sodass diese Kontakte nun bei vielen Anwendungen in der Supraleitungselektronik eingesetzt werden können.

Neue Molekülkristalle mit Seltenerd-Ionen weisen um 3 bis 4 Größenordnungen schmalere optische Linienbreiten auf als alle bisher bekannten Molekülsysteme und eignen sich damit als Spin-Photon-Schnittstellen für photonische Quantentechnologien.

Inelastische Neutronenstreuung deutet auf die Ausbildung von Landau-Niveaus für Magnonen in der Skyrmion-Phase of MnSi hin.

In SrIrO₃/LaCoO₃-Heterostrukturen konnte in der SrIrO₃-Schicht durch Proximity-Effekt vom ferromagnetischen isolierenden LaCoO₃ hervorgerufener Ferromagnetismus und ein starker, intrinsischer und positiver anomaler Hall-Effekt beobachtet werden.

Jörg Schmalian wurde mit dem John-Bardeen-Preis 2022 ausgezeichnet.

Starke Renormierung der Lebensdauer von atomaren Gitterschwingungen, Phononen, kann ohne einen Nesting-Effekt der Fermifläche oder stark anharmonische Gitterwechselwirkungen auftreten, wenn die Kopplung zwischen Phononen und Elektronen stark vom Impuls der elektronischen Zustände abhängt.

In Bis(phthalocyaninato)dysprosium (DyPc₂)-Einzelmolekülen auf Au(111) konnte das Dy-Moment mittels milli-Kelvin-Rastertunnelmikroskopie ausgelesen werden.

In einer Zusammenarbeit von KIT und Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) wurden die Auswirkungen natürlicher Radioaktivität auf den Betrieb von supraleitenden Qubit-Schaltungen untersucht.

Mittels Elektromigration konnte der normalleitende Widerstand R_N von Al-Nanodrähten gezielt um bis zu 3 Größenordnungen abgesenkt und hierdurch wahlweise isolierendes, metallisches oder supraleitendes Verhalten eingestellt werden, wodurch Quantenphasenschlupf-Verhalten ("QPS") von supraleitenden Nanodrähten gezeigt werden konnte.

Mittels einer auf dem piezoelektrischen Effekt beruhenden Dehnungszelle konnte bei der Messung des elektrischen Widerstands von CsFe₂As₂ die thermische Ausdehnung neutralisiert und dadurch ein in der Fe₂As₂-Schichtebene weitgehend symmetrisches Antwortverhalten des Elektronensystems beobachtet werden.

Im Absorptionsspektrum eines auf zwei Eu(III)-Ionen basierenden Molekülkomplexes konnte ein langlebiges spektrales Loch gebrannt werden, was eine effiziente Polarisation des Grundzustands der Spins der Seltene-Erden-Ionen belegt.

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.

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.

Mit ferromagnetischen FePt-Nanopartikeln wurde bei Raumtemperatur ein Energieprodukt von 80 MGOe, deutlich über dem bisheriger Rekord von 59 MGOe in NdFeB, erreicht.

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.

Das magnetische Phasendiagramm von KFe₂As₂ in der Umgebung des oberen kritischen Felds belegt bei exakter Ausrichtung des Felds entlang der FeAs-Lagen mit einem deutlich zweifachen Übergang und einer charakteristischen Aufwärtsbiegung des Verlaufs des oberen kritischen Felds weit über den Pauli-Grenzwert 4.8 T die Existenz eines Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov-Zustands ("FFLO").

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 der Hierarchie der auf magnetischen, aber auch orbitalen, Gitter- und nematischen Freiheitsgraden beruhenden Wechselwirkungen hin.

Mit TiO_x-Nanoröhren-Schichten auf Multisensor-Array-Chips bei Betriebstemperaturen bis zu 400°C konnte eine vielversprechende Empfindlichkeit und Selektivität hinsichtlich organischer Dämpfe im ppm-Bereich gezeigt werden.

Raman-Streuung und Neutronenstreuung liefern starke Anhaltspunkte für exzitonischen Magnetismus in Ca₂RuO₄.

Die Elektron-Phonon-Wechselwirkung im metallischen Oberflächenzustand der 3D Topologischen Isolatoren Bi₂Se₃ und Bi₂Te₃ kommt durch optische Moden mit polarem Charakter zustande, der nur schwach von dem metallischen Oberflächenzustand abgeschirmt wird.