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Dynamical processes in systems with strong electronic correlations

Applicant Fiebig Manfred
Number 178825
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2022
Approved amount 1'700'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Material Sciences

Keywords (12)

non-equilibrium state; Monte-Carlo simulation; laser spectroscopy; terahertz spectroscopy; strong electronic correlations; magnetoelectric effect; oxides; multiferroics; ultrafast processes; transition-metal compounds; topological properties; multifunctional materials

Lay Summary (German)

Lead
Derzeit setzt sich die Erkenntnis durch, dass die technische Entwicklung der Halbleiter nach vielen Jahrzehnten überragender Erfolge an ihre physikalischen Grenzen stösst. Es ist wahrscheinlich, dass dem Zeitalter der Halbleiter nun das Zeitalter der Oxidelektronik folgen wird. Halbleiter sind relativ einfache Verbindungen, denn viele ihrer Eigenschaften lassen sich verstehen, wenn man nur ein einziges Elektron in der Wechselwirkung mit seiner Umgebung betrachtet. In Oxiden dagegen stehen viele Elektronen in ständiger Wechselwirkung miteinender. Aufgrund dieser erhöhten Komplexität kann man daher in Oxiden zu ganz neuen nützlichen Eigenschaften gelangen, die Halbleiter prinzipiell nicht aufweisen können. Derzeit ist jedoch weitgehend unbekannt, wie Oxidmaterialien sich in der Anwendung verhalten. Wie schnell schalten sie von einem Zustand in einen anderen, und welche Prozesse auf atomarer Skala spielen dabei eine Rolle? Fragen dieser Art warten auf eine Antwort.
Lay summary

Inhalt und Ziel

Ziel des SNF-Projektes ist es, das zeitabhängige Verhalten von Oxiden zu charakterisieren und zu verstehen. Eine besondere Rolle kommt dabei dem zeitlichen Verhalten der magnetischen und elektrischen Eigenschaften zu und darunter vor allem der Kopplung dieser beiden Eigenschaften. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf dem Verhalten von Oxiden bei äusserer Anregung (dem "Schaltimpuls") liegen. Auch die mathematischen Eigenschaften der Struktur von Oxiden hat Einfluss auf deren Funktion. Dieser soll ebenfalls ergründet werden. Schliesslich ist beabsichtigt, grundlegende  dynamische Eigenschaften von Oxiden auch im Computer zu simulieren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Durchbricht man die physikalischen Beschränkungen von Halbleitern durch den Übergang auf die Materialklasse der Oxide, erweitert dies die Suche nach kleineren, schnelleren und energieeffizienteren Elektronikbauteilen um völlig neue Dimensionen. Zu lediglich "besseren" Varianten bekannter Bauteile würden sich Komponenten mit völlig neuartigen Eigenschaften hinzugesellen. Die Auswirkungen auf unsere technologisch orinetierte Gesellschaft wären somit immens.

Direct link to Lay Summary Last update: 28.08.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
147080 Light-matter interaction in systems with strong electronic correlations 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)

Abstract

In contrast to semiconductors that are often described by the interaction of a single electron with its environment, the properties of the so-called strongly correlated states are determined by the collective interaction of many electrons via their charges and spins. The multi-particle complexity gives rise to fascinating phenomena, ranging from long-range magnetic order to discoveries like superconductivity, colossal magnetoresistance and topological magnetic or electric states. Owing to their multi-particle nature, even the microscopic understanding of the ground-state of strong-correlation phenomena is a demanding task. For a thorough understanding, it is indispensable, however, to go away from the ground state and study the dynamical behavior of a system. On the one hand, the functionality of a device always results from bringing it away from its ground state. On the other hand, studying the non-equilibrium behavior reveals the microscopic processes at work that stabilize a strongly correlated state. Over the last years, experimental and theoretical tools have been rapidly improving, so that strong-correlation dynamics is now in the process of establishing itself as new, powerful branch in condensed-matter research. Because of the emerging nature of the field, research activities are still ambiguously diverse, however. Important advances are made in certain directions but at the same time, other aspects of crucial significance are disregarded - an overarching coherence of the field yet needs to be established. The broad scope and extent of projects that is encouraged under the new SNSF regulations allows us to substantially promote this overarching coherence and contribute to building a solid founda-tion in the field of strong-correlation dynamics. This is the goal of our proposal. We identify four aspects that we consider as underrated in the present development of the field: (i) Magnetoelectric coupling dynamics in multiferroics; (ii) Coherent low-energy excitation of correlated states; (iii) Phase-resolved dynamics of elementary excitations; (iv) Simulation of topological phase-transition dynamics. Scientific impact of our project should occur on two levels. First, because we expand the field in crucial, yet previously neglected directions, research results should have a profound, higher-than-average impact. Second, we expect that our project will act as catalyst to the field, substantially speed-ing up its overall progress by balancing out its different research directions, create cross-correlations between these and thus improve the coherence of the field.
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