Quantenelektrische Dipole: Wassermoleküle in Nanokäfigen von Kristallen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Hans Peter Büchler; Professor Dr. Martin Dressel; Professorin Maria Fyta, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397476507

Da isolierte H2O Moleküle in nanometergroßen Kristallkäfigen kein Netzwerk aus Wasserstoffbrücken bilden, stellen sie ein ideales Modell quantenelektrischer Dipolgitter dar. Wir untersuchen die Energieniveaus von Wassermolekülen in Nanokäfigen mittel breitbandiger optischer Spektroskopie, ihre Rotations- und Vibrationsmoden, um etwas über die Wechselwirkung mit der Käfigwand und dort eingebrachten Dotierungsatomen zu erfahren. Durch Simulationen mittel DFT und MD wollen wir verstehen, wie quantenmechanisches Tunneln der Protonen im Kristallpotential und Fluktuationen die physikalischen Eigenschaften und das Verhalten der gefangenen Dipole beeinflussen.Als nächstes betrachten wir die dipolare Wechselwirkung zwischen den H2O Molekülen, die zur langreichweitigen Ordnung und schließlich einem ferroelektrischen Zustand führen. Offen ist, wie die anisotrope dipolare Kopplung den kooperativen Vielteilchenzustand aus delokalisierten H2O Molekülen bildet. Die wichtigste Methode sind hierbei niederfrequente optische und dielektrische Messungen. Beim prototypischen Beryll-Kristall kann die Länge der Dipolketten durch unterschiedliche Belegung variiert und die Kopplung mittel hydrostatischen Drucks systematisch vergrößert werden. Die anisotrope Wechselwirkung spiegelt sich in der Polarisationsabhängigkeit der optischen und dielektrischen Antwort wider. Ein äußeres elektrisches Feld beeinflusst das System und insbesondere die Wanderung von Domänenwänden. Nach Beryll mit dem charakteristischen Dreiecksgitter wenden wir uns anderen Mineralien mit unterschiedlichen Geometrien zu, wodurch die Kopplung zwischen den H2O Molekülen und die Stärke der dipolaren Kopplung verschieden ist, was eine anisotrope Ordnung erzeugt. Ist die Wechselwirkung entlang der c-Richtung dominant, so bildet sich eine Dipolkette. Im umgekehrten Fall kann man das Dipolgitter als zweidimensionale System in der ab-Ebene betrachten, deren Geometrie durch die Gittersymmetrie gegeben ist. Das Zusammenspiel von Quantentunneln, Fluktuationen und Frustration zwischen den dielek-trischen Dipolen eröffnet die Möglichkeit, eine quantenmechanische Dipolflüssigkeit oder -glas zu realisieren.Im theoretischen Teil werden die H2O Moleküle in den Kristallstrukturen simuliert und die optischen Spektren bei verschiednene Füllfaktoren berechnet. Wir betrachten den Einfluss von Temperatur, Druck und elektrischem Feld auf die thermodynamischen Eigenschaften und das nahezu ferroelektrische Verhalten der Wassermoleküle in den Beryll. Parallel dazu studieren wir die Vielteilchenphänomene der wechselwirkenden Dipolmomente des H2O einschließlich der Quantenrotation. Wir wollen das Phasendiagramm im Rahmen der Molekularfeldtheorie verstehen sowie die Balance des langsamen Abfalls der dipolaren Wechwelwirkung und der Anisotropie. Die mean-field Untersuchungen werden durch geeignete numerische Simulationen unterstützt, um die Vorhersagen aus dem Modellsystem mit den experimentellen Beobachtungen zu verknüpfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Impedanz Analysator
• Gerätegruppe: 6100 Verstärker und Bausteine der analogen Meßtechnik (außer 670-679)