Ladungstransport in Nanostrukturen: Strominduzierte Kräfte und elektronische Reibung

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Thoss
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431945604

Der Transport von Elektronen in Nanostrukturen wie atomaren Drähten, molekularen Kontakten oder Graphen-Nanostrukturen ist häufig begleitet von einer starken Wechselwirkung der Elektronen mit den mechanischen Freiheitsgraden, wie beispielsweise lokalen Schwingungsmoden. Insbesondere bei höheren angelegten Spannungen, d.h. fern vom thermischen Gleichgewicht, führt diese starke Wechselwirkung zu nichtkonservativen strominduzierten Kräften und ungewöhnlichen Phänomenen elektronischer Reibung, die wichtige Konsequenzen haben. Nichtkonservative strominduzierte Kräfte können hohe Anregungen lokaler Schwingungsmoden verursachen und die elektronische Reibung, welche die Schwingungsfreiheitsgrade aufgrund der Wechselwirkung mit den Elektronen erfahren, kann negative Werte annehmen. Beide Effekte führen zu mechanischen Instabilitäten der Nanostrukturen. Für die weitere Entwicklung nanoelektronischer Architekturen ist es entscheidend, ein detailliertes Verständnis der diesen Effekten zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu erlangen.Um dieses Ziel zu erreichen, sollen in dem im Rahmen der Forschungsgruppe "Reduktion der Komplexität von Nichtgleichgewichtssystemen" verfolgten Projekt theoretische Methoden entwickelt werden, die eine konsistente und akkurate Behandlung strominduzierter mechanischer Bewegung in Nanosystemen fern vom thermischen Gleichgewicht ermöglichen. Dazu werden zwei komplementäre Strategien verfolgt, die beide auf dem Konzept der reduzierten Beschreibung eines komplexen Gesamtproblems beruhen: (i) die Methode der hierarchischen Mastergleichungen, welche eine numerisch exakte Behandlung der Dynamik offener Quantensysteme erlaubt, und (ii) gemischt quanten-klassische Methoden auf der Basis verallgemeinerter Langevin-Gleichungen. Diese Methoden sollen eingesetzt werden, um Ladungstransport in atomaren Nanodrähten zwischen Metallelektroden zu untersuchen. Schwerpunkt ist dabei die Analyse der Signaturen, Mechanismen und Konsequenzen strominduzierter Kräfte und elektronischer Reibung. Außerdem ist geplant, das Entstehen nichtkonservativer Kräfte im semiklassischen Grenzfall herauszuarbeiten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5099: Reduktion der Komplexität von Nichtgleichgewichtssystemen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Thorsten Koslowski; Professor Dr. Gerhard Stock