Spezialforschungsbereich (SFB) "F41 Computational Materials Laboratory"

Allgemein
(Quelle: SFB ViCoM Vienna Computational Materials Laboratory Proposal SFB Vicom / Application for the 2nd funding period, Spezialforschungsbereich F41)
In den letzten Jahrzehnten haben sich Computer-Simulationen in vielen Bereichen der Naturwissenschaften als unverzichtbares Forschungsinstrument etabliert und stellen somit neben den traditionellen theoretisch-analytischen und den experimentellen Methoden ein drittes, komplementäres Standbein dar. Insbesondere in der Materialforschung, wo rechnerunterstützte Untersuchungen mittlerweile eine zentrale Rolle spielen, haben sich ungeahnte Möglichkeiten eröffnet: Anwendungen, die man vor dreißig Jahren noch nicht einmal angedacht hatte und die vor zehn Jahren noch unmöglich waren, sind heute zur Routine geworden. Diese Erfolge basieren einerseits auf der extrem rasch wachsenden Leistungsfähigkeit von Computern, andererseits auf neuen theoretischen Methoden der Quantenmechanik und der statistischen Mechanik, sowie auf effizienteren numerischen Algorithmen und deren Implementierung. Diese Entwicklung ist bei weitem noch nicht abgeschlossen. Aktuelle Problemstellungen in der Grundlagenforschung und in der modernen Technologie stellen die rechnerunterstützten Materialwissenschaften vor immer neue Herausforderungen: (i) Grundzustandsenergien und Aktivierungsenergien für chemische Reaktionen sowie Phasenumwandlungen sollen mit hoher Genauigkeit vorhersagbar sein. Dazu ist vor allem eine wesentlich verbesserte Beschreibung der Korrelationen in Viel-Elektronen-Systemen notwendig; während hier die Vielteilchenphysik und Quantenchemie für molekulare Systeme bereits neue Wege aufgezeigt haben, ist das Erreichen dieses Ziels für Festkörper wesentlich schwieriger. (ii) Durch neue methodische Entwicklungen in der experimentellen Forschung, wie etwa in der elektronischen, optischen oder magnetischen Spektroskopie, sind neue Materialeigenschaften zugänglich geworden. Um den Dialog mit der experimentellen Forschung weiterhin intensiv gestalten zu können, muss die Funktionalität existierender Programmpakete ständig verbessert und erweitert werden. (iii) Die Zeit- und Längen-Skalen von realen Materialien und Prozessen unterscheiden sich trotz der verfügbaren Rechnerressourcen immer noch um viele Größenordnungen von jenen Skalen, die in Computer-Simulationen zugänglich sind. Diese Diskrepanz kann durch die Entwicklung neuer Multi-Skalen-Simulationen überbrückt werden. Wissenschaftler der Universität Wien und der Technischen Universität Wien haben in den letzten Jahrzehnten gemeinsam mit ihren Forschungspartnern an der Technischen Universität Graz wesentliche Beiträge zum Fortschritt der rechnerunterstützten Materialwissenschaften geleistet. Um sich den neuen Herausforderungen in diesem Forschungsgebiet zu stellen, werden im Rahmen des Spezialforschungsbereiches Vienna Computational Materials Laboratory (ViCoM) die verfügbaren Erfahrungen und Kompetenzen gebündelt und gestärkt. Wien kann auf diese Weise seine Rolle als eines der weltweit führenden Zentren auf diesem Gebiet festigen.

Teilprojekte
-Dynamische Molekularfeldtheorie und Erweiterung (Arrigoni, 01.06.2010-31.12.2018)
In der zweiten Förderperiode planen wir, die Schnittstelle zwischen der Dichtefunktionaltheorie, dem Arbeitspferd des SFB ViCoM, und der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT), die den Großteil der Elektronenkorrelationen beschreibt, d.h. die lokalen, weiter zu verbessern. Wir werden weiterhin nichtlokale Korrelationen über DMFT hinaus auf allen Längeskalen studieren, werden unser Projekt aber auch in eine neue Richtung erweitern: das Wechselspiel zwischen Nichtgleichgewicht und elektronischen Korrelationen. Im Detail sind diese Teilprojekte: (1) DFT+DMFT Schnittstelle: Wir planen eine grundlegende Erweiterung des wien2wannier Pakets durch eine Selbstkonsistenz auf DFT+DMFT Niveau mittels einer hermitizierten Selbstenergie a la Schilfgaarde und Kotani, sowie Weiterentwicklungen von woptic, einem Paket zur Berechnung von optischen Spektren und anderen Transportgrößen. Es gibt starke Verbindungen zu P02 und P07 und ihren DFT Paketen VASP und Wien2K, sowie zu P16 was die Niederenergie-Hamiltonoperatoren betrifft. (2) Nichtlokale Korrelationen über DMFT hinaus: Der Fokus liegt auf magnetischen Fluktuationen in geschichteten 4d und 5d Materialien, wie z.B. Ruthenate oder Iridate. Diese haben ähnliche Struktur wie die Kuprate, aber zeigen wichtige Multiorbitaleffekte. Wir werden analysieren, ob magnetische Fluktuationen zu ähnlicher Pseudogap Physik führen kann. Wir werden auch den Zusammenhang von Spin-Orbit Kopplung, elektronischen Korrelationen und Magnonen studieren. Die Kollaboration mir P04 bezüglich Störstellensolver wird fortgesetzt, zur Pseudogap Physik werden wir mit P16 kollaborieren. (3) Korrelation in Grenzflächen im Nichtgleichgewicht. Hier sind wir am nicht-linearen Transport durch Grenzflächen und Heterostrukturen interessiert. Wir werden ein vor kurzem für Nichtgleichgewicht entwickeltes DMFT Schema und Parameter aus ab-initio Rechnungen verwenden. Unter anderem werden wir Übergangsmetalloxid-Solarzellen untersuchen. Kollaborationen werden mit P04 zu den Methoden, und mit P15 zu den Heterostrukturen aufgebaut.

-Dynamik von quantenmechanischen Störstellenproblemen (Evertz, 01.06.2010-31.12.2018)
Ziel des Projektes ist die Berechnung von Spektralfunktionen und der Zeitentwicklung der quantenmechanischen Vielteilchenprobleme von Störstellenmodellen. In der ersten Förderperiode haben wir erfolgreich neue Lösungsmethoden für Störstellen mit einem und zwei Orbitalen bei Temperatur Null entwickelt, mit sehr guter Energieauflösung bei allen Frequenzen. Die Methoden basieren auf Chebyshev-Entwicklungen und auf einer numerischen Realzeitentwicklung mit Hilfe von Matrixproduktzuständen (MPS). In der zweiten Förderperiode werden werden wir diese Techniken erweitern und auf komplexere Modelle, endliche Temperaturen, und besonders auf Transport- und Nichtgleichgewichtsrechnungen anwenden, in enger Zusammenarbeit mit mehreren anderen Unterprojekten. (1) Simulation von Störstellenmodellen mit mehreren Bändern, insbesondere Übergangsmetall-oxide. Untersuchung der Wechselwirkung von elektronischen Korrelationen und Spin-Bahn-Kopplung. (2) Entwicklung verallgemeinerter Lösungsverfahren. Erweiterung auf endliche Temperaturen mit Hilfe der Techniken der Dichte-Matrix-Renormierungsgruppe (DMRG) und mit einem neuen Lagrangeschen Ansatz, und Berechnung von Spektralfunktionen. Einschluss räumlicher Korrelationen mit Hilfe höherdimensionaler Verallgemeinerungen der DMRG. (3) Nichtgleichgewicht und Transport. Wir werden die Fähigkeit zur Berechnung von Zeitentwicklungen auf die Untersuchung des Transports von Ladungen durch Heterostrukturen, des thermoelektrischen Effekts und von Streuung anwenden. Verallgemeinerung und Anwendung unseres Lösungsverfahrens im Rahmen einer neu entwickelten Methode zur Untersuchung von Nichtgleichgewichtsphänomenen. Anwendung auf niedrigdimensionale Transportphänomene, insbesondere auf den photovoltaischen Effekt in heterostrukturellen Oxiden und den dazu kürzlich vorgeschlagenen neuartigen Solarzellen.

-Kollektive Phänomene in dünnen Schichten und Heterostrukturen von Oxiden (Boeri, 01.01.2015-31.12.2018)
Kollektive Phänomene in Oxidfilmen und -Heterostrukuren Perowskitgrenzflächen und Heterostrukturen bilden aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften, welche auf das Zusammenspiel von strukturellen und elektronischen Freiheitsgraden zurückzuführen sind, die Basis für die nächste Generation der Nanoelektronik. Die theoretische Beschreibung solcher Systeme erfordert den Einsatz modernster Methoden zur Modellierung von Materialien. Unser Ziel ist die computergestützte Untersuchung kollektiver Phänomene in Oberflächen, Grenzflächen und Heterostrukturen von Übergangsmetallperowskiten. Dazu ist es nötig, zuerst das Zusammenwirken von räumlichem Confinement, elektronischen Korrelationen, der Spin-Bahn Kopplung und der Elektron-Gitter Wechselwirkung zu untersuchen, um schlussendlich das erworbene Verständnis zum Design von zukünftigen Materialien einsetzen zu können. Hierzu verwenden wir eine Kombination von fortschrittlichsten ab-initio Methoden mit modernen Vielteilchenzugängen, welche im Zuge von ViCoM entwickelt wurden. Korrelierte Oberflächen, Grenzflächen und mehrschichtige Heterostrukturen sind prominente Beispiele für Systeme, die rein durch ab-initio Verfahren oder Vielteilchenmodellansätze nur in einigen wenigen Aspekten untersucht werden können. Eine vollständige Beschreibung ist nur mithilfe von hochqualitativen Strukturoptimierungen, unter Berücksichtigung der Gitterdynamik und dynamischer Korrelationen, sowie durch ab-initio Modellhamiltonoperatoren möglich.