معهد ماكس بلانك لأبحاث الحالة الصلبة

يُعنى قسم نظرية البنية الإلكترونية، بقيادة علي علوي ، بتطوير أساليب حسابية دقيقة لمعالجة الأنظمة الإلكترونية المترابطة ، باستخدام منهجيات مونت كارلو الكمومية ، والكيمياء الكمومية، ومنهجيات الأجسام المتعددة. وسيتم تطبيق هذه الأساليب (بما في ذلك نظرية الكثافة الوظيفية) على مسائل ذات أهمية في مجالات التحفيز غير المتجانس، وكيمياء الأسطح، والكيمياء الكهربائية، والكيمياء الضوئية.

يرأس قسم مطيافية الحالة الصلبة برنارد كيمر. ويدرس القسم الظواهر الكمومية الجماعية في المواد الإلكترونية شديدة الترابط باستخدام تقنيات التحليل الطيفي والتشتت. وتشمل المواضيع ذات الأهمية الحالية التفاعل بين درجات حرية الشحنة والمدار والدوران في أكاسيد المعادن الانتقالية، وآلية الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية، والتحكم في سلوك الطور الإلكتروني في الشبكات الفائقة لأكاسيد المعادن. كما يعمل القسم على تطوير أساليب طيفية جديدة، مثل مطيافية النيوترونات عالية الدقة وقياس الاستقطاب الطيفي.

تتركز الجهود البحثية في قسم علوم النانو، بقيادة كلاوس كيرن، على علوم وتكنولوجيا النانو. ويهدف البحث متعدد التخصصات، الذي يقع على مفترق طرق الفيزياء والكيمياء والأحياء، إلى التحكم بالمواد على المستوى الذري والجزيئي، مما يُمكّن من تصميم أنظمة وأجهزة ذات خصائص تحددها السلوكيات الكمومية من جهة، وتقترب من وظائف المادة الحية من جهة أخرى.

يستخدم قسم لوتش التقنيات الحديثة للكيمياء النانوية ويجمعها مع الطرق الكلاسيكية لتخليق الحالة الصلبة لتطوير مواد ذات خصائص معقدة، بما في ذلك الأنظمة ثنائية الأبعاد والهياكل غير المتجانسة الطبقية، والأطر المسامية، والهياكل النانوية الضوئية، والإلكتروليتات الصلبة لتطبيقات في التحفيز (الضوئي)، والاستشعار، وبطاريات الحالة الصلبة.

تحت إشراف يواكيم ماير، يهتم قسم الكيمياء الفيزيائية للمواد الصلبة بالكيمياء الكهربائية ونقل الأيونات . وينصب التركيز على موصلات الأيونات (مثل موصلات البروتونات، وأيونات المعادن، وأيونات الأكسجين العضوية أو غير العضوية) والموصلات المختلطة (عادةً البيروفسكايت). تتراوح الأبحاث بين استكشاف الآليات الأساسية وتصميم المواد للتطبيقات الكهروكيميائية (البطاريات، وخلايا الوقود، وأجهزة الاستشعار). ويحظى الأساس العلمي لمجال النانو أيونيات بأهمية خاصة.

بفضل الظواهر الكمومية، توفر البنى غير المتجانسة المُصنّعة من مواد معقدة إمكانات هائلة لإنشاء أنظمة إلكترونية جديدة. يتمتع العديد منها بخصائص فريدة لا توجد في الطبيعة. ويركز قسم الإلكترونيات الكمومية للمواد الصلبة، بقيادة كلاوس فون كليتزينغ ، على تصميم هذه الأنظمة الإلكترونية وتطويرها واستكشافها . ويرأس المجموعة يوشين مانارت .

تحت إشراف والتر ميتزنر، يتم تحليل وحساب الخصائص الإلكترونية للمواد الصلبة في قسم نظرية الكم متعددة الأجسام، مع التركيز بشكل أساسي على الأنظمة التي تلعب فيها الارتباطات الإلكترونية دورًا حاسمًا، مثل الكوبرات والمنغنيتات وأكاسيد المعادن الانتقالية الأخرى . إلى جانب تحولات الطور التي تكسر التناظر وتؤدي إلى المغناطيسية ، وترتيب المدارات والشحنات، أو الموصلية الفائقة ، يمكن أن تتسبب الارتباطات أيضًا في توطين الإلكترونات والعديد من التأثيرات المذهلة الأخرى متعددة الأجسام التي لا يصفها تقريب الإلكترون المستقل.

يُنتج تشابك الإلكترونات في المواد الصلبة، بالإضافة إلى تفاصيل بنية الشبكة البلورية، تنوعًا هائلًا من الأطوار الإلكترونية، التي تشمل حالات سائلة، وبلورية سائلة، وبلورية لدرجات حرية الشحنة والدوران المغزلي. غالبًا ما تُفضي هذه الأطوار الإلكترونية المعقدة، والتنافس الدقيق فيما بينها، إلى وظائف جديدة. يدرس قسم المواد الكمومية، بقيادة هيدينوري تاكاغي، هذه الأطوار الجديدة المثيرة للاهتمام في أكاسيد المعادن الانتقالية والمركبات ذات الصلة، حيث توفر نطاقات d الضيقة، التي تُؤدي إلى ترابطات إلكترونية قوية، بالإضافة إلى التركيب الكيميائي الغني لهذه المواد، فرصًا ممتازة لاكتشافات جديدة.