Wir interessieren uns für die Eigenschaften stark korrelierter Elektronensysteme (strongly correlated electron systems, SCES) in unterschiedlichen Materialklassen, vornehmlich in Schwere-Fermionen-Metallen, Fe-Pniktid- und -Chalcogenid-Verbindungen und korrelierten Halbleitern. Das Hauptaugenmerk richtet sich auf die Phänomene unkonventionelle Supraleitung, Quantenkritikalität und Thermoelektrizität.
Unkonventionelle, d.h. nicht durch Gitterschwingungen hervorgerufene Supraleitung wurde erstmals für die Schwere-Fermionen-Verbindung CeCu2Si2 beobachtet (F. Steglich, Phys. Rev. Lett. 43, 1892 (1979)). Später konnte gezeigt werden, dass für die Erzeugung von Cooperpaaren im Antiferromagneten UPd2Al3 akustische Magnonen verantwortlich sind (N.K. Sato et al., Nature 410, 340 (2001)). Kürzlich bei atmosphärischem Druck durchgeführte Untersuchungen der inelastischen Neutronenstreuung an CeCu2Si2 ergaben, dass in dieser Substanz quantenkritische Fluktuationen der Spindichte an die Stelle der Gitterschwingungen treten (O. Stockert et al., Nature Phys. 7, 119 (2011). Bereits früher hatten Messungen des elektrischen Widerstandes an Ge-dotierten CeCu2Si2 nahegelegt, dass bei hohen Drücken ein anderer unkonventioneller Mechanismus zur Paarerzeugung vorliegt. Dabei bilden kritische Valenzfluktuationen den supraleitenden "Klebstoff" (H.Q. Yuan et al., Science 302, 2104 (2003)). Eine neue Klasse von Supraleitern sind solche, deren Kristallstruktur keine Inversionssymmetrie besitzt. Abhängig von der Stärke der Spin-Bahn-Kopplung können hier Cooperpaare sowohl im Singulett- als auch im Triplett-Zustand vorliegen. Diese Systeme werden gemeinsam mit unserer Max-Planck-Partnergruppe (H.Q. Yuan) an der Zhejiang University, Hangzhou (PR China) studiert.
YbRh2Si2 gilt als Modellsubstanz für unkonventionelle Quantenkritikalität. Die sehr schwache antiferromagnetische Ordnung dieser Schwere-Fermionen-Verbindung kann durch ein kleines Magnetfeld kontinuierlich unterdrückt werden. Das kritische Magnetfeld Bc, bei dem die Ordnungstemperatur TN verschwindet, markiert einen antiferromagnetischen quantenkrtischen Punkt (quantum critical point, QCP). Für B > Bc bilden sich aufgrund des Kondo-Effekts schwere Ladungsträger, zusammengesetzt aus den lokalen magnetischen 4f-Momenten des Ce und den Leitungselektronen. Für B < Bc sind die 4f-Momente dagegen völlig unabhängig. Der magnetische QCP markiert also zugleich einen Zusammenbruch des Kondo-Effekts (J. Custers et al., Nature 424, 524 (2003); S. Paschen et al., Nature 432, 881 (2004); P. Gegenwart et al., Science 315, 969 (2007); S. Friedemann et al., Nature Phys. 5, 465 (2009); S. Friedemann et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 14547 (2010); H. Pfau et al., Nature 484, 493 (2012)). Diese Untersuchungen erfordern neue Konzepte für das "Kondo-Gitter", welches sich zum Studium von SCES als besonders geeignet erwiesen hat.
Neben den supraleitenden Fe-Pniktid- und Chalcogenid-Verbindungen interessieren wir uns für halbleitende Fe-Verbindungen mit kleiner Bandlücke. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von B.B. Iversen von der Universität Aarhus (Dänemark) studieren wir die Eigenschaften des Systems FeSb2, für welches wir einen "kolossalen Seebeck Effekt" bei tiefen Temperaturen beobachteten (A. Bentien et al., Europhys. Lett. 80, 17008 (2007)). Weitere interessante Thermoelektrika sind Käfigverbindungen wie Clathrate (F.M. Grosche et al., Phys. Rev. Lett. 87, 247003 (2001)) und Skutterudite (J. Sichelschmidt et al., Phys. Rev. Lett. 96, 037406 (2006)), die gemeinsam mit dem Forschungsbereich Chemische Metallkunde (J. Grin) untersucht werden.
In enger Kooperation mit dem Forschungsbereich Anorganische Chemie (R. Kniep) und unserer Max-Planck-Forschergruppe am W. Trzebiatowski-Institut der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Wroclaw (T. Cichorek) bemühen wir uns darum, gewisse strukturelle ("Quanten-") Defekte in intermetallischen Verbindungen des Typs PbFCl zu identifizieren, die als Ursache eines "nichtmagnetischen Kondo-Effekts" angesehen werden (T. Cichorek et al., Phys. Rev. Lett. 94, 236603 (2005)).
Die Untersuchungen des Forschungsbereiches konzentrieren sich bevorzugt auf neue Materialien, die in polykristalliner Form oder als Einkristalle entweder im Hause, in der Kompetenzgruppe Materialentwicklung (C. Geibel) und den Forschungsbereichen Chemische Metallkunde und Anorganische Chemie, bzw. von auswärtigen Gruppen präpariert werden. In enger Zusammenarbeit mit der Kompetenzgruppe Extreme Bedingungen (M. Brando, M. Nicklas) erfolgen unsere Experimente in weiten Parameterbereichen von Temperatur T, Druck p und Magnetfeld B: T: 0,007 - 400 K (im Hause) und 0,0005 - 1 K (in Zusammenarbeit mit E. Schuberth, WMI, TKM), p: 0 - 10 GPa (hydrostatisch) und 0 - 1 GPa (uniachsial) sowie B: 0 - 20 T (statisch, im Hause) und 0 - 80 T (gepulst, in Kooperation mit dem HLD, FZD).
o Quantenkritikalität in Kondogitter-Systemen (Manuel
Brando, Christoph Geibel, Cornelius Krellner, Michael Nicklas,
Jörg Sichelschmidt, Oliver Stockert, Steffen
Wirth, 
Stefan Kirchner - MPI PKS, Philipp Gegenwart -
U. Göttingen):
- Klassifizierung quantenkritischer Punkte (QKPe)
- Unkonventionelle QKPe
- Orbital-selektive Mott-Übergänge
- Unordnung, Frustration
- Spinflüssigkeiten
- Lifshitz-Übergänge
o Unkonventionelle Supraleitung in
- Schwere-Fermionen-Metallen (Christoph Geibel, Michael
Nicklas, Oliver Stockert, Steffen Wirth)
- Übergangsmetall-Oxypniktiden (Michael Baenitz, Christoph
Geibel, Cornelius Krellner, Michael Nicklas, Steffen Wirth)
- Intermetallischen Verbindungen ohne Inversionszentrum
(Michael Nicklas, Huiqiu Yuan - Zhejiang U., Hangzhou)
o Thermoelektrizität hochkorrelierter Halbleiter (Michael
Baenitz, Peijie Sun, Juri Grin, Bo Iversen -
U. Aarhus)
o Quantendefekte in Metallen (Rüdiger Kniep, Marcus
Schmidt, Tomasz Cichorek - INTiBS, PAN Wrocław)