Orbitaler Magnetismus und Strompfade in mesoskopische Proben

• Antragsteller: Professor Dr. Ferdinand Evers
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257888954

Ein großer Bereich der Nanowissenschaften widmet sich der Frage, wie Ladungsdichten u. Ströme auf die Einwirkung externer Felder reagieren. In diesem Projekt wird die räumliche Struktur der Ströme auf atomarer Skala untersucht. Vorarbeiten unsererseits existieren dazu, in denen unser Programm AITRANSS eingesetzt wurde. Damit lassen sich Transportsimulationen auf ab-initio-Basis durchführen, insbesondere die Berechnung komplizierter Strommuster, wie sie in funktionalisierten organischen Materialien, z. B. Graphen mit Wasserstoff-Adsorbaten, auftreten können. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, daß diese Muster überraschende und ausgeprägte Strukturmerkmale aufweisen, wie Ringströme mit Intensitäten, die den mittleren Transportstrom um eine Größenordung übersteigen können. Um derartige Strommuster systematisch mit ab-initio Methoden untersuchen zu können, muß man insbesondere den Effekt von induzierten magnetischen Feldern auf den Stromfluß selbstkonsistent berücksichtigen. Dazu entwickeln wir in diesem Projekt einen Transport-Formalismus, der auf der Stromdichte-Funktionaltheorie (CDFT) basiert, und der in unser Paket AITRANSS eingebaut werden soll. In einem ersten pragmatischen Schritt können wir zunächst Austausch-Korrelationskorrekturen im Kohn-Sham-Vektorpotential, AXC, vernachlässigen, um eine Abschätzung von Wechselwirkungsstärken zu erhalten. Wir berücksichtigen also induzierte Lorentzkräfte und ignorieren eine strominduzierte Renormierung der Coulomb-Wechselwirkung. Wir sehen fruchtbare Anwendungen dieses neuartigen, CDFT-basierten Transportcodes auf mehreren Gebieten der Oberflächen- und Mesoskopischen Physik. Zunächst werden wir untersuchen, ob die Strom-getriebenen Lorentzkräfte hinreichend stark werden können, so daß mit ihnen Mokulare Magnete geschaltet werden könnten. Anschließend werden wir die Rolle von Stromlinien und Wirbeln für die Erzeugung von Wärme in mesoskopischen Proben betrachten. Als Drittes studieren wir die statistischen Eigenschaften von induzierten Magnetfeldern, z. B. um zu prognostizieren, wie lokale Strommustern sich in globalen (d.h. über das Volumen mittelnden) Observablen bemerkbar machen. Schließlich erscheint es hochinteressant, die Geometrie von Strompfaden in topologischen Materialien zu analysieren. Deren anomale dielektrische Eigenschaft, die quantisierte Bianisotropie, sollte sich besonders in den lokalen Strommustern wiederspiegeln. Abschließend erwähnen wir, daß die code-technologischen Entwicklungen dieses Projektes auch für die Materialwissenschaften von Interesse sein könnte. Die Änderung der Magnetisierung als Antwort auf ein (zeitabhängiges) elektrisches Feld, die wir in hier berechnen möchten, hängt eng mit den Bianisotropie-Koeffizienten zusammen, deren wichtige Rolle unlängst in den Gebieten Photonik und Metamaterials betont worden ist. Wir hoffen mit diesem Projekt auch dazu einen Beitrag zu leisten, daß solche Bianisotropien zukünftig ab-initio berechnet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Person: Professor Charles Stafford, Ph.D.