Novel materials are the key for innovation and drive novel applications as well as technological breakthroughs. In particular, the quantum nature of materials involving the uncertainty principle provides new routes towards innovative materials and devices with unprecedented properties which are a prerequisite for quantum technologies. It is indeed the quantum nature of matter which manifests in the emergence of superconductivity, magnetism, ferroelectricity and related phenomena such as quantum liquids, charge density waves, multiferroelectric and topological effects. These phenomena can bring information and energy-saving technologies to a new level. Our team experimentally studies such 'Quantum Materials' as realized by magnetic molecules, one- or two-dimensional systems, or complex systems with competing degrees of freedom. Often, the basic building blocks are low-dimensional and/or geometrically frustrated magnetic substructures, in which quantum effects are particularly pronounced. Key questions concern the evolution of order(s) and the presence of (quantum-driven) disorder, strange properties and phenomena in quantum materials, and structure-property relationship. We apply fundamental studies on thermodynamic response functions down to Millikelvin temperatures and up to high magnetic fields, on static and dynamic magnetic properties, and not least by making of such novel quantum materials. Our investigations on quantum ground states like unconventional superconductivity, electronic nemantic order or quantum magnetism challenge standard theory, thereby extending our understanding of quantum many-body systems. In addition, our applied materials research on energy storage and battery materials nicely illustrates how fundamental science is directly linked to relevant applications.
Neue Materialien sind Grundlage für Innovationen und führen zu neuartigen Anwendungen und technologischen Durchbrüchen. Dabei eröffnen insbesondere die Quantennatur der Materie und das Unschärfeprinzip neue Wege bei der Suche nach innovativen Materialien für neue Bauelemente, die die Voraussetzung für die Realisierung von Quantentechnologien sind. Spektakuläre Phänomene wie Supraleitung, Magnetismus, Ferroelektrizität oder das Auftreten von Quantenflüssigkeiten, Ladungsdichtewellen, Multiferroizität und topologische Effekten, welche zu Durchbrüchen in der Informations- und Energietechnologie führen können, resultieren direkt aus der Quantennatur von Festkörpern. Unser Team untersucht experimentell derartige „Quantenmaterialien“, die durch magnetische Moleküle, ein- oder zweidimensionale Materialien oder komplexen Systemen mit konkurrierenden Freiheitsgraden realisiert werden. Grundelemente dieser Materialien sind oftmals niedrigdimensionale und/oder geometrisch frustrierte magnetische Substrukturen, bei denen Quanteneffekte besonders ausgeprägt sind. Wichtige Fragestellungen betreffen die Entwicklung von Ordnung(en) und das Auftreten von (Quanten-)Unordnung, ungewöhnliche Eigenschaften und Phänomene in Quantenmaterialien sowie die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Unsere Experimente beinhalten grundlegende Studien zu den thermodynamischen Responsefunktionen bis zu tiefsten Temperaturen und hohen Magnetfeldern, die Untersuchung statischer und dynamischer magnetischer Eigenschaften und nicht zuletzt die Herstellung hochwertiger Quantenmaterialien. Unsere Untersuchungen zu Quantengrundzuständen wie der unkonventionellen Supraleitung, elektronischer nemantischer Ordnungen oder dem Quantenmagnetismus stellen die Standardtheorien in Frage und erweitern unser Verständnis von Quanten-Vielteilchensystemen. Darüber ist unsere angewandte Materialforschung zu Energiespeicherung und Batteriematerialien ein klares Beispiel, wie Grundlagenforschung direkt mit relevanten Anwendungen verknüpft ist.
