Forschungsfel­der

• Stark korrelierte Elektronensysteme und neue Phasen
• Quantenphasenübergänge
• Frustrierter Magnetismus und Spinflüssigkeiten
• Topologische Phasen (Isolatoren, Supraleiter, Magnete)
• Hochtemperatur-Supraleiter
• Schwer-Fermion-Metalle
• Kalte Atome auf optischen Gittern
• Quanten-Störstellen-Probleme
• Dissipative Quantensysteme

Highlights

Neue Phasen getrieben durch den Zusammenbruch des Kondo-Effekts

In Metallen mit lokalen magnetischen Momenten erzeugt der Kondo-Effekt häufig eine paramagnetische Schwer-Fermion-Phase (Fermi liquid, FL). In Anwesenheit von Frustration kann der Zusammenbruch des Kondo-Effekts zu topologischen Nicht-Fermi-Flüssigkeits-Phasen führen. Ein wichtiges Beispiel ist das der fraktionalisierten Fermi-Flüssigkeit (FL*), wo Leitungselektronen mit einer Spinflüssigkeit koexistieren. Wir haben neuartige Phasen identifiziert, die nahe eines Quantenphasenübergangs zwischen FL und FL* auftreten können: Wenn die FL*-Phase U(1)-Eichsymmetrie mit einem emergenten pi-Fluss aufweist, dann führt das Einsetzen des Kondo-Effekt zu einer spontanen Brechung der Zeitumkehrsymmetrie unddamit zu einem chiralen Schwer-Fermi-Metall. Wenn die FL*-Phase Z2-Eichsymmetrie aufweist, dann kann sie eine Tieftemperatur-Instabilität zu einer fractionalisierten supraleitenden Phase (SC*) aufweisen, wo Cooper-Paare mit einer Spinflüssigkeit koexistieren.

• T. Drechsler and M. Vojta, Phys. Rev. Lett. 134, 106503 (2025)  (Phys. Rev. Lett.)(arXiv)
• M. Bunney, U. F. P. Seifert, S. Rachel, and M. Vojta, arXiv:2411.07201 (arXiv)

Klassische chirale Spinflüssigkeit auf dem Pyrochlor-Gitter

Frustrierte Magnete beherbergen viele neue Formen von Ordnung und Unordnung. Wir haben eine neuartige  chirale Spinflüssigkeit identifiziert: Diese entsteht, wenn klassische Spins auf dem Pyrochlor-Gitter mittels einer chiralen Drei-Spin-Wechselwirkung gekoppelt werden. Die chirale Spinflüssigkeit wird durch eine effektive Eichtheorie beschrieben und hat Frakton-artige Anregungen.

D. Lozano-Gómez, Y. Iqbal, and M. Vojta, Nat. Commun. 15, 10162 (2024)  (Nat. Commun.)(arXiv)

Mesoskalige Quantenphasenübergänge in Ferromagneten

LiHoF₄ ist ein Lehrbuch-Beispiel für ein Material mit einem Ising-Quantenphasenübergang im transversalen Feld. Wir haben dieses Material in Magnetfeldern, die gegenüber der perfekt transversalen Richtung verkippt sind, studiert und überraschenderweise eine Linie von wohldefinierten Phasenübergängen bei tiefen Temperaturen gefunden, im Gegensatz zu dem mikroskopisch erwarteten Crossover. Diese Phasenübergänge sind durch das Entstehen oder Verschwinden von magnetischen Domänen gekennzeichnet und sind daher mesoskopisch. Unsere Modellrechnungen liefern Resultate in hervorragender Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.

A. Wendl, H. Eisenlohr, F. Rucker, C. Duvinage, M. Kleinhans, M. Vojta, and C. Pfleiderer, Nature 609, 65 (2022) (Nature)(arXiv)

Exotische Quantenphasenübergänge in Dirac-Semimetallen

Wechselwirkungen zwischen Fermionen in Dirac-Semimetallen können zahlreiche verschiedene Ordnungsphänomene hervorrufen.  Wir haben mehrere mikroskopische Modelle studiert, die zu (i) Phasen mit elektronischer nematischer Ordnung und (ii) Phasen, die eine eingebaute SO(3)xU(1)-Symmetrie brechen, führen. Mittels Feldtheorie und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen haben wir die resultierenden Quantenphasenübergänge vollständig charakterisiert. Unter anderen haben wir dabei eine neuartige Form von "deconfined quantum criticality" gefunden.

• J. Schwab, L. Janssen, K. Sun, Z. Y. Meng, I. F. Herbut, M. Vojta, and F. F. Assaad, Phys. Rev. Lett. 128, 157203 (2022) (Phys. Rev. Lett.)(arXiv)
• Z. H. Liu, M. Vojta, F. F. Assaad, and L. Janssen, Phys. Rev. Lett. 128, 087201 (2022) (Phys. Rev. Lett.)(arXiv)

Zusammenbruch des Kondo-Effekts für eine Spinkette auf einem Semimetall

Der Kondo-Effekt beschreibt die Abschirmung magnetischer Momente in Metallen. Sein Zusammenbruch kann zu ungewöhnlichen Phasenübergängen und exotischen Phasen führen. Wir haben die Physik einer Spinkette untersucht, die an ein zweidimensionales Dirac-Semimetall gekoppelt ist. Dieses System zeigt einen nichttrivialen Quantenphasenübergang, wo der Kondo-Effekt zusammenbricht. Diese Resultate sind beipielsweise für magnetische Atome auf Graphen relevant.

• B. Danu, M. Vojta, F. F. Assaad, and T. Grover, Phys. Rev. Lett. 125, 206602 (2020) (Phys. Rev. Lett.)(arXiv)

Landau-Niveaus von Magnonen in verzerrten Antiferromagneten

Mechanische Deformationen und daraus resultierende Verspannungen haben sich zu einem interessanten Werkzeug zu Erzeugen neuer Materiezustände entwickelt. So können inhomogene Gitterverzerrungen benutzt werden, um künstliche Eichfelder für bewegliche Teilchen zu generieren. Wir haben mithilfe dieses Konzepts einen neuen magnetischen Zustand vorgeschlagen, nämlich einen Mott-isolierenden Antiferromagneten, dessen magnteisches Anregungsspektrum Landau-Niveaus aufweist.

• M. M. Nayga, S. Rachel, and M. Vojta, Phys. Rev. Lett. 123, 207204 (2019) (Phys. Rev. Lett.), (arXiv)

Lokale Mott-Quantenkritikalität im Hubbard-Modell

Der wechselwirkungsgetriebene Mott-Metal-Isolator-Übergang ist eines der wichtigsten Phänomene stark korrelierter Elektronen. Auf der Suche nach Quantenkritikalität im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie für das Einband-Hubbard-Modell haben wir einen skaleninvarianten, d.h. kritischen, Isolator bei T=0 gefunden, dessen Dynamik bei endlichen Temperaturen quantenkritisches Verhalten in Einteilchenspektrum und Transport verursacht.

• H. Eisenlohr, S.-S. B. Lee, M. Vojta, Phys Rev. B 100, 155152 (2019)   (Phys. Rev. B) (arXiv)

Cluster-Spin-Glas in ungeordneten Pyrochlor-Magneten

Magnete mit Pyrochlor-Gitterstruktur gehören zu den interessantesten Klassen geometrisch frustrierter Magnete. In Anwesenheit einer XY-Anisotropie entsteht ein fluktuationsgetriebener geordneter Zustand. Wir haben den Effekt von Unordnung (d.h. Kristalldefekten) untersucht und eine neue Spin-Glas-Phase gefunden, die auch experimentell entdeckt wurde.

• E. C. Andrade, J. A. Hoyos, S. Rachel, and M. Vojta, Phys. Rev. Lett. 120, 097204 (2018) (Phys. Rev. Lett.)(arXiv)

Heisenberg-Kitaev-Modell im Magnetfeld

Das Heisenberg-Kitaev-Modell ist ein Modell für Spinsysteme mit sogenannter Kompass-Wechselwirkung auf dem Honigwabengitter, das für Materialien wie Na₂IrO₃ oder alpha-RuCl₃ diskutiert wird. Wir haben systematisch den Effekt eines äußeren Magnetfelds untersucht und Phasendiagramme für verschiedene Feldrichtungen bestimmt. Für <111>-Felder ergeben sich eine Reihe nichttrivialer Phasen, z.B. Vortexkristalle.

• L. Janssen, E. C. Andrade, and M. Vojta, Phys. Rev. Lett. 117, 277202 (2016) (Phys. Rev. Lett.) (arXiv)

Exakt quantisierte Landau-Niveaus in beliebigen Raumdimensionen

Freie Elektronen in zwei Raumdimensionen im Magnetfeld realisieren Landau-Niveaus: hochgradig entartete Zustände, die die Grundlage für den Quanten-Hall-Effekt bilden. Künstliche Landau-Niveaus können approximativ auch durch Gitterverzerrungen in Abwesenheit eines Magnetfeldes erzeugt werden. Wir haben ein spezielles Modell für verzerrte bipartite Gitter entwickelt und gelöst, welches perfekt quantisierte Landau-Niveaus in beliebigen Raumdimensionen liefert.

• S. Rachel, I. Göthel, D. P. Arovas, and M. Vojta, Phys. Rev. Lett. 117, 266801 (2016) (Phys. Rev. Lett.) (arXiv)

Kondo-Effekt in Quasikristallen

Der Kondo-Effekt beschreibt die Abschirmung einer magnetischen Störstelle in einem Metall - normalerweise einem Kristall aus periodisch angeordneten Atomen. Wir haben erstmals theroretisch den Kondo-Effekt in einem quasikristallinen Metall untersucht: Bei Quasikristallen handelt es sich um Festkörper, in denen Atome nicht periodisch angeordnet sind. Unsere Resultate zeigen starke räumliche Fluktuationen im Abschirmverhalten, die zu Nichtfermiflüssigkeitsverhalten führen.

• E. C. Andrade, A. Jagannathan, E. Miranda, M. Vojta, and V. Dobrosavljevic, Phys. Rev. Lett. 115, 036403 (2015) (Phys. Rev. Lett.) (arXiv)

Systematische Entwicklung für quantenkritische Magnete

Quantenmagnete aus gekoppelten Paaren von Spins zeigen interessante Quantenphasenübergänge. Wir haben eine neuartige nichtlineare Bond-Operator-Theorie entwickelt, die eine analytische Beschreibung solcher Systeme in einer systematischen Entwicklung in 1/d erlaubt, wobei d die Anzahl der Raumdimensionen ist.

• D. G. Joshi and M. Vojta, Phys. Rev. B 91, 094405 (2015) (Phys. Rev. B) (arXiv)
• D. G. Joshi, K. Coester, K. P Schmidt,  and M. Vojta, Phys. Rev. B 91, 094404 (2015) (Phys. Rev. B) (arXiv)