Ziel ist die theoretisch-physikalische Beschreibung der Eigenschaften von nanoskaligen und nanostrukturierten Systemen. Die Arbeiten konzentrieren sich auf die elektronischen Transportcharakteristiken von Nanosystemen, insbesondere die Effekte von Quanteninterferenz, starker Wechselwirkung, Unordnung und Nichtgleichgewicht. Im Vordergrund steht die Findung neuartiger Verhaltensweisen, die eine Anwendungsperspektive bieten. Wir entwickeln und benutzen fortgeschrittene analytische (feld-theoretische) Methoden, sowie moderne numerische Zugänge, einschliesslich der ab initio Beschreibung im Rahmen quantenchemischer Methoden. Im Einzelnen werden die folgenden Fragestellungen bearbeitet:

Elektronentransport in Quantendrähten und Nanoröhren

Wir entwickeln die Theorie von Transporteigenschaften von stark wechselwirkenden Elektronen in Quantendrähten; experimentelle Realisierungen umfassen Kohlenstoff-Nanoroehren, Halbleiter-, metallische und Polymer-Nanodrähte. Insbesondere untersuchen wir die Leitfähigkeit von Nanodrähten mit Störstellen, Quanteninterferenz-Phänomene, sowie Transport weit vom Gleichgewicht.

Tunneling spectroscopy of a voltage-biased quantum wire with an impurity. To the right of the impurity location, right-moving electrons have a non-equilibrium ("double-step") distribution.

Elektronische Eigenschaften von Graphen

Untersucht wird der Transport in Graphen-Strukturen, einschliesslich der Leitfähigkeit mit verschiedenen Arten von Unordnung, Quanteninterferenz-Phänomenen, Transportregimes (Ballistik, Diffusion, Lokalisierung, Kritikalität), Wechselwirkungseffekten, und Nichtgleichgewicht-Physik. Wir erforschen auch verwandte Systeme mit Dirac’schen Ladungsträgern, wie topologische Metalle an Rändern von topologischen Isolatoren.

Ballistic graphene setup with various strong scatterers. Vacancies as well as atomic or molecular impurities can create midgap states. Metallic islands support quasibound states that can be tuned to the resonance.	Graphene conductivity at the Dirac point versus the concentration of vacancies. The resulting conductivity substantially depends on the distribution of vacancies among two graphene sublattices.

Topological insulators and superconductors

We investigate properties of electronic states at the surface of 3D and at the edge of 2D topological insulators. Particular focus is on the quantum interference phenomena, interplay of disorder and interaction, and magnetotransport properties. Possible superconducting properties of such topological materials, either intrinsic or induced via proximity effect, are also studied. We also consider topological excitations (Majorana bound states) in the junctions between topological insulators and superconductors, and their prospective application to the quantum information processing.

Scaling functions for the conductivity of a two dimensional disordered electronic system with strong spin-orbit interaction. The four curves correspond to either presence or absence of the Coulomb interaction as well as to topologically either trivial or non-trivial (Dirac fermions on a surface of a 3D topological insulator) spectrum. In the case of Dirac fermions with Coulomb interaction a novel self-organized quantum critical state emerges.

Mesoscopic superconductivity

We study electronic properties of mesoscopic superconducting systems. The main focus is on the low-dimensional structures including Josephson junction chains and dirty interacting thin films. Strong quantum effects give rise to a number of remarkable physical phenomena. As a striking example, the disorder-induced Anderson localization may strongly enhance superconducting properties of two-dimensional films.

Measurement circuit with 6-SQUID chain inserted in a superconducting loop. The phase difference and magnetic fluxes through SQUIDS are independently controlled by two external coils.	Temperature dependence of resistivity near the superconductor-insulator transition. Inset: phase diagram in the disorder strength - temperature plane.

Transport in Quanten-Hall-Strukturen

Transport in 2D Elektronensystemen im Magnetfeld wird untersucht. Eine Forschungsrichtung bilden Nichtgleichgewichts-Systeme unter Mikrowellen-Strahlung oder starken DC Feldern. Ein weiters Projekt widmet sich Randzuständen (im Regimen von ganzzahliger sowie fraktionaler Hall Quantisierung), insbesondere Quanten-Hall Mach-Zehnder Interferometern.

Resistivity of a microwave-irradiated 2D electron gas oscillates as a function of magnetic field. At strong fields, zero resistance states (ZRS) develop.	Scheme of an electronic Mach-Zehnder interferometer built on quantum Hall edge states. Quantum point contacts partially mix edge channels.

Anderson-Lokalisierung und Metal-Isolator-Übergänge

Untersucht werden Anderson-Lokalisierung-Phänomene in ungeordneten elektronischen Systemen, insbesondere von niedriger Dimensionalität. Die Forschung fokussiert sich auf Phasendiagramme für verschiedene Arten von Unordnung, Metall-Isolator-Uebergängen und kritischem Verhalten, sowie statistischen Eigenschaften von physikalischen Grössen.

Multifractal electron wave function at the critical point of the quantum Hall transition.

Methodenentwicklung zum Quantentransport in Nanostrukturen

Leiter: Prof. Dr. Peter Wölfle

Entwicklung von Renormierungsgruppenmethoden für beliebig starke Kopplung zur Berechnung von Transporteigenschaften durch Kontakte von zwei oder mehrerenQuantendrähten im Luttingermodell. Bestimmung der Fixpunktstruktur und der Leitwertmatrix sowie des Stromrauschens im linearen und nichtlinearen Responsebereich.

Formulierung einer analytischen Renormierungsgruppentheorie für den Transport durch Kondo-Quantenpunkte auch im Bereich starker Kopplung und Berechnung des Leitwerts und der Spektralfunktionen im linearen und nichtlinearen Bereich.

Theorie und Simulation Molekularer Nanosysteme (AG Evers)

Ab initio Theorie des Transports durch Einzelmoleküle mit Funktionalität („Molekulare Elektronik“), von Eigenschaften und Funktion atomarer, molekularer und nanostrukturierter Materialien, insbesondere im Hinblick auf Graphen und Metamaterialien. Simulation und Modellrechnungen zu Transport- und statistischen Eigenschaften ungeordneter Elektronensysteme („Anderson localization“).

The charge transport through molecules is sensitive to the molecular geometry. Hence a manipulation of this geometry, for instance by a pulse in the bias voltage, can trigger a hysteresis lop in the current-voltage curve, which is a prerequisite for a molecular memory element.

For more information on the research activities see web-page of the Group Evers.

Numerische Simulationen des Transports in Nanostrukturen

Leiter: Dr. Peter Schmitteckert

Entwicklung von Verfahren im Rahmen der Dichtematrix-Renormierungsgruppe (DMRG) zur Berechnung von Transporteigenschaften stark wechselwirkender Elektronensysteme in quasi-eindimensionalen Nanostrukturen. Realzeitsimulationen des nichtlinearen Leitwerts, der Bewegung von Wellenpaketen in Elektronen- und Photonen-Systemen.

Analytical and numerical (DMRG) results for the current-voltage dependence of the self-dual interacting resonant level model.