Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Mit der „Quantum Materials – Rice and Max Planck Partnership“ stärken sie die weltweite Führungsrolle im Bereich Quantenmaterialien und -technologie

Carmela Troncoso, Raphaële Clément, Sohini Kar-Narayan und Catharina Stroppel:  2025 wurden vier Direktorinnen neu an Max-Planck-Institute berufen. Woran sie forschen

Nimmt Lanthannickeloxid Wasserstoff auf, ändert sich sich seine elektrische Leitfähigkeit

Die Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart wird für die Entwicklung neuer Materialien für die Energiewende geehrt

Forschende entdecken im äußeren Zahnschmelz verschiedener Nagetierarten Arten ein eisenhaltiges Material, das auch menschliche Zähne widerstandsfähiger machen könnte

Die Sonne schickt mehr Energie auf die Erde, als die Menschheit benötigt. Forschende um Bettina Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, arbeiten an Materialien, die helfen sollen, dieses großzügige Angebot für viele Zwecke nutzbar zu machen – nicht nur für die Energiewende.

Darauf mussten Pianisten lange Zeit verzichten: das Tastengefühl, das ihnen Elfenbein gibt. Dieter Fischer, Sarah Parks und Jochen Mannhart, die am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart gewöhnlich quantenelektronische Phänomene erforschen, haben Abhilfe geschaffen – mit synthetischem Elfenbein. Nun will ein Start-up-Unternehmen das Material im großen Stil produzieren, und das nicht nur für Pianotasten.

Als Brillanten können sie ein betörendes Feuer versprühen, doch das reizt Jörg Wrachtrup weniger an den Edelsteinen. Der Physikprofessor an der Universität Stuttgart und Fellow am dortigen Max-Planck-Institut für Festkörperforschung arbeitet mit eher unscheinbaren Diamanten. Daraus entwickelt sein Team Sensoren, um die molekulare Maschinerie einer lebenden Zelle live zu beobachten. Von den Einblicken in die Nanowelt könnte auch die Medizin profitieren.

Metallische Einzel-Elektronen-Bauelemente lassen sich als hochempfindliche lokale Elektrometer und primäre Thermometer einsetzen. Sie funktionieren bei tiefen Temperaturen und zeigen keine Abhängigkeiten von angelegten hohen Magnetfeldern. So sind sie ideale Sensoren, um die elektronischen und thermodynamischen Eigenschaften von Quantenmaterialien zu studieren.

Die Bewegung von Atomen ist entscheidend für chemische und strukturelle Umwandlungen in Molekülen. Aktuelle Forschungen ermöglichen es, molekulare Schwingungen in einzelnen Graphen-Nanobändern mithilfe von Femtosekunden-Kohärenter-Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie zu untersuchen. Diese Methoden bieten neue Perspektiven zur Beobachtung und Steuerung atomarer Bewegungen und unterstützen das Verständnis komplexer Licht-Materie-Wechselwirkungen.

Jüngst wurde Supraleitung in zwei Strukturtypen von Nickelaten entdeckt. Zur detaillierten Untersuchung züchteten wir große Kristalle. Bei Nickelat-Einkristallen mit sich unendlichen wiederholenden Schichten zeigte sich, dass das Fehlen der Supraleitung höchstwahrscheinlich auf die begrenzte Löslichkeit der Dotierung zurückzuführen ist. In Einkristallen von La₃Ni₂O₇ fanden wir mehrere kristallographische Phasen. Sie zeigen eine starke Empfindlichkeit gegenüber der Sauerstoffstöchiometrie, was ihre physikalischen Eigenschaften und die deutliche Druckabhängigkeit der Supraleitung erklärt.

Supraleitung bei normalen Umgebungbedingungen wäre ein Durchbruch mit hoher gesellschaftlicher Relevanz. Doch die besten Hochtemperatur-Supraleiter, die Kuprate, erreichen bislang nur -130 °C. Einige ihrer Eigenschaften geben bislang Rätsel auf, darunter eine sogenannte Pseudogap-Phase bei höheren Temperaturen. Forschende am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung konnten zeigen, dass das im Kern einfache Hubbard-Modell eine solche Phase aufweist. Ihnen gelang eine analytische Theorie, die intuitiv verstehbar ist. Mit ihr gelingt es, Messgrößen näherungsweise zu berechnen.

Starke Wechselwirkungen zwischen Elektronen spielen eine zentrale Rolle bei der Hochtemperatur-Supraleitung von dotierten Kupraten. Die Entdeckung dieser Eigenschaft in den isostrukturellen und isoelektronischen Nickeloxiden ist bedeutsam, obwohl sie sich erst drei Jahrzehnte nach ihrer Entdeckung in Kupraten realisieren ließ. Durch den Einsatz von ab-initio Quantenchemiemethoden untersuchen wir die Unterschiede in der elektronischen Struktur dieser scheinbar ähnlichen Systeme und schließen damit Rückschlüsse auf die mikroskopischen Ursachen des Phänomens.