Korrelierte elektronische Struktur, Spinwechselwirkungen und Elektronengitterkopplungen in Lacunar-Spinellen mit gemischter Valenz

• Antragsteller: Dr. Liviu Hozoi; Professor Dr. István Kézsmárki
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437124857

Verschiedene lakunare Spinellverbindungen mit der chemischen Zusammensetzung AM4X8 werden gegenwärtig im Hinblick auf starke magneto-elektrische Kopplungen detailliert untersucht, die in neuartigen Bauelementen zukünftig nutzbar sein können. Ihre magnetisch aktive Struktureinheit besteht aus tetraedrischen Clustern von d-Metallionen, die ähnliche wie in der Kristallstruktur der sogenannten atmenden Pyrochlore angordnet sind.Bisher wurde die elektronische Struktur mit den numerischen Berechnungen im Rahmen der Dichtefunktional-Theorie (DFT) untersucht. Es ist aber bekannt und gut durch Berechnungen mittels moderner ab initio-Methoden belegt, wie z.B. für Cuban-artige Ferrodoxin-Proteine mit Fe4-Tetraedereinheiten oder auch für tetraedrische Nb4 Cluster, dass Übergangsmetall-Tetraedereinheiten substantielle Vielteilcheneffekte aufweisen können, die nicht durch eine Einzelkonfiguration in der DFT erfasst werden: Füllung von elektronischen Zuständen, die das Aufbau-Prinzip verletzt, eine Vielzahl von fast entarteten elektronischen Konfigurationen und starke Mischung von Konfigurationen. Es ist daher äußerst wünschenswert das Ausmaß dieser Vielteilcheneffekte und ihre Rolle für die interessanen magnetischen Eigenschften der den lakunaren AM4X8 Spinellen aufzuklären. Darin besteht das Hauptziel dieses Projekts.Wir werden dazu ab initio Vielteilchen-Methoden einsetzen wie sie in der Quantenchemie entwickelt wurden. Diese Berechnungen werden detailliert mit Ergebnissen experimenteller Untersuchengen verglichen werden, die von Spektren aus ESR und NMR bis zu EXAFS und RIXS-Messungen reichen werden. Diese Arbeiten werden neue Einsichten zur elektronischen Struktur und die physikalischen Eigenschaften der lakunaren Spinelle beitragen. In Erweiterung dazu werden die neuen Methoden helfen verwandte Cluster-Verbindungen zu verstehen, wo elektronische Zustände in der Form von korrelierten Molekularorbitalen über kleine Gruppen von Ionen mit offenen d-Schalen sich ausbreiten und zu Vielteilcheneffekten mit ungewöhnlichen Eigenschaften führen, wie zum Beispiel in den atmenden Pyrochloren oder den Swedenborgite-Typ Kobaltaten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Norbert Büttgen; Privatdozent Dr. Hans-Albrecht Krug von Nidda