Johannes Gutenberg-Universität Mainz > Fachbereich 08 > Physik > Physikforschung > Forschungsfelder > Quantenmaterie & Spintronik
Wenn Teilchen in Vielteilchensystemen beginnen, auf quantenmechanischer Ebene zu interagieren, wird es spannend – weit über die Vorhersagen der klassischen Physik hinaus. Quantenmaterialien sind speziell entwickelte Systeme, die exotische elektronische, magnetische und optische Eigenschaften aufweisen, die durch diese kollektiven Quanteneffekte hervorgerufen werden. Ihr Verhalten wird durch die starke Wechselwirkung mit Elektronen und anderen Anregungen wie Phononen, Magnonen oder Photonen geformt. Dies führt zu neuartigen Phänomenen, die nicht verstanden werden können, wenn man einzelne Teilchen isoliert betrachtet.
Die Forschung in diesem Bereich verschiebt die Grenzen sowohl der Grundlagenwissenschaft als auch der technologischen Innovation. Beispiele sind unkonventionelle Supraleiter, Quantenmagnete, Quantenspinflüssigkeiten, topologische Materialien und komplexe magnetische Ordnungen. Ein aktueller Durchbruch war die Entdeckung von Altermagneten – eine neue Form der magnetischen Ordnung, die in Mainz entdeckt wurde – und die als wissenschaftlicher Durchbruch des Jahres 2024 ausgezeichnet wurde.
Die nächste Generation der Informationstechnologie stützt sich auf neue physikalische Phänomene im Nanobereich, wo Elektronenspins, -bahnen und -ladungen unter Quantenbedingungen interagieren. Unsere Forschung erforscht die physikalischen Grundlagen und praktischen Anwendungen von spinbasierten Geräten durch fortschrittliche Experimente und theoretische Modellierung. Wir untersuchen den Transport, die Injektion und die Manipulation von Spins in hochmodernen Materialsystemen wie magnetischen Monoschichten, Heterostrukturen und Nanostrukturen und konzentrieren uns dabei auf die entscheidende Rolle von Grenzflächen in Metallen, Halbleitern und Oxiden. Mit Hilfe einer industriell kompatiblen Abscheidungsplattform stellen wir Bauelemente mit magnetischen Tunnelübergängen, Spinmomenten und quantenelektronischen Effekten her und untersuchen sie. Unsere Arbeit reicht von der Grundlagenforschung bei ultratiefen Temperaturen bis zur Zusammenarbeit mit der Halbleiterindustrie, um energieeffiziente Speicher-, Logik- und Sensortechnologien für zukünftige Anwendungen in der künstlichen Intelligenz und darüber hinaus zu entwickeln.
Angetrieben von mathematischer Schönheit und Ästhetik konzentriert sich die Wissenschaft oft auf hochsymmetrische Systeme. Ein genauerer Blick auf die Natur zeigt jedoch, dass gebrochene Symmetrie allgegenwärtig ist, insbesondere in Form von Chiralität. Chiralität, eine fundamentale Eigenschaft, bei der Objekte in zwei nicht überlagerbaren Spiegelbildern existieren, hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. Unsere Forschung untersucht den Einfluss der Chiralität auf die elektronischen und magnetischen Eigenschaften chiraler Systeme, wie chirale Kristalle und hybride chirale Molekül-Magnet-Strukturen. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der chiral induzierten Spin-Selektivität, bei der die Händigkeit eines Materials die Ausrichtung des Elektronenspins bestimmt. Darüber hinaus stabilisieren chirale Wechselwirkungen in magnetischen Systemen neuartige, topologisch geschützte Spin-Texturen, darunter Skyrmionen. Durch die Erforschung der zugrundeliegenden Mechanismen wollen wir das Potenzial für innovative, funktionelle Geräte erschließen, die die einzigartigen Eigenschaften der Chiralität in Quantenmaterie nutzen.
Nicht-Gleichgewichtsphänomene, die auf einer Zeitskala von Femtosekunden bis Nanosekunden auftreten, können mit optischer/THz-Spektroskopie auf dem Tisch oder mit hellen Femtosekunden-Röntgenpulsen, die in Freie-Elektronen-Laser-Anlagen (XFEL) erzeugt werden, untersucht werden. Diese fortschrittlichen Techniken bieten tiefe Einblicke in die ultraschnelle Dynamik von elektronischen, Gitter- (Schwingungs-) und Spin-Freiheitsgraden. Sie ermöglichen es uns, atomare Bewegungen zu visualisieren und das Aufbrechen molekularer Bindungen zu überwachen sowie die Entwicklung makroskopischer Ordnungsparameter und lichtinduzierter Phasenübergänge zu erforschen.
Unsere Forschungsgruppen sind in einem breiten Spektrum der ultraschnellen Wissenschaft tätig, das weiche und harte kondensierte Materie, Strukturbiologie und Materialwissenschaften umfasst. Wir betreiben hochmoderne ultraschnelle optische Labors und sind an XFEL-Anlagen stark vertreten. Wir tragen sowohl zu innovativen Experimenten als auch zur Entwicklung von Endstationen der nächsten Generation bei, insbesondere im Bereich der zeitaufgelösten Impulsmikroskopie.
