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Europhysics Prize 2006


Europhysics Prize

(Übersetzung des englischen Texts von Agilent Technologies)

Der Agilent Technologies Europhysics Preis wird jedes Jahr für hervorragende Leistungen in der Physik der kondensierten Materie verliehen. Er wird finanziert durch eine Schenkung der Agilent-Stiftung an die Europäische Physikalische Gesellschaft.

Der Europhysics Preis ist einer der angesehensten Physikpreise in Europa. Acht bisherige Preisträger haben später auch den Nobelpreis für ihre Arbeit bekommen. Seit 1975 wurde dieser Preis an führende Wissenschaftler auf nahezu allen international wichtigen Gebieten der Physik der kondensierten Materie verliehen.

Der Preis würdigt die neuere Forschung eines oder mehrerer Wissenschaftler auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie, insbesondere Arbeiten, die Fortschritte auf den Gebieten der Elektronik, Elektrotechnik und Materialwissenschaft erwarten lassen und die von einem Auswahlkomitee als wissenschaftlich herausragend beurteilt wurden. Das Auswahlkomitee selbst besteht aus 5 Mitgliedern, die durch die Europäische Physikalische Gesellschaft berufen werden, sowie einem Vertreter der Firma Agilent Technologies.

Die Agilent Stiftung ist stolz darauf, die Dotierung dieses Preises weiterzuführen - eine Tradition, die 1975 durch Hewlett-Packard begründet wurde. Die Preissumme beträgt 51.000 Schweizer Franken. Die großzügige Förderung zeigt Agilents Engagement für technische Innovationen, einschließlich der Grundlagenforschung in der Physik.

Artikel in Europhysics News

Weitere Preisträger

 

Dynamische Molekularfeld-Theorie

(Siehe auch die Laudatio der Europäischen Physikalischen Gesellschaft.)


DMFT
Abb.1: Die Dynamische Molekularfeld-Theorie behandelt die Eigenschaften fester Materialien mit beweglichen Elektronen. Die Abbildung zeigt ein Atom, das hintereinander zwei Elektronen einfängt. (Quelle: Physics Today, März 2004, S. 54; Wiedergabe mit Genehmigung des American Institute of Physics)

Der Agilent Technologies Europhysics Preis 2006 wurde an Antoine Georges, Gabriel Kotliar, Walter Metzner und Dieter Vollhardt für die Entwicklung der Dynamischen Molekularfeld-Theorie verliehen.

Im vergangenen Jahrhundert gab es mehrfach bemerkenswerte Fortschritte, die durch die Entwicklung neuer Materialien mit nützlichen Eigenschaften veranlaßt wurden. Zum Beispiel wurde die Revolution in der Elektronik erst durch die Fähigkeit möglich, die Physik von Halbleitern zu verstehen und Bauelemente zu entwerfen, deren neuartige Eigenschaften dann nutzbringend eingesetzt werden konnten.

Für Fortschritte in der Technologie ist es besonders wichtig, die bestmöglichen theoretischen Zugänge zum Verständnis von Materialien und die Vorhersage ihres Verhaltens zu entwickeln. Es gibt aber Materialien mit großem Technologie-Potential, für die die existierenden theoretischen Techniken unzulänglich sind. So sind z.B. weder die Materialien der Hochtemperatur-Supraleitung noch Materialien, die große Fortschritte bei der magnetischen Speicherung versprechen, hinreichend verstanden. Die fundamentalen physikalischen Prinzipien, die diese Materialien beschreiben, sind zwar bekannt, doch ist die Anwendung dieser Prinzipien extrem schwierig. Selbst eine kleine Materialprobe besteht nämlich aus einer riesigen Anzahl wechselwirkender Teilchen, deren Bewegung sich gegenseitig beeinflußt. Insbesondere werden Elektronen von anderen nahegelegenen Elektronen stark abgestoßen. Da es nicht möglich ist die Bewegungen aller dieser Teilchen im Detail zu berücksichtigen, müssen bei der Behandlung Näherungen gemacht werden. Eine mögliche Näherungsmethode ist es anzunehmen, daß die Elektronen bei ihrer Bewegung durch das Material nur sehr schwach miteinander wechselwirken. Dann reicht es aus, die Bewegung eines Elektron als unabhängig von der Bewegung der anderen zu betrachten. Ein anderer Zugang nimmt an, daß die Elektron-Elektron-Abstoßung dominiert, so daß die Elektronen auf einzelnen Atomen lokalisiert sind.

Leider lassen sich einige der interessantesten Materialien weder mit dem einen noch dem anderen Zugang verstehen. Georges, Kotliar, Metzner und Vollhardt entwickelten eine neue theoretische Methode, genannt Dynamische Molekularfeld-Theorie (DMFT), die sie im folgenden anwandten und die es zusammen mit anderen Techniken erlaubt, das ganze Spektrum von Materialien - von schwach wechselnden bis stark lokalisierten - innerhalb eines einzigen theoretischen Rahmens zu untersuchen. Insbesondere lassen sich damit auch die im Zwischenbereich liegenden Fälle beschreiben. Einer der aufregenden theoretischen Schritte dieser Theorie besteht darin, sich das Material in einem Raum höherer Dimension vorzustellen und die Näherung zu machen, die Zahl der Dimensionen unendlich groß werden zu lassen. Diese radikale Annahme vereinfacht die Gleichungen außerordentlich und führt dennoch zu erstaunlich genauen Vorhersagen.

Die Gewinner des Preises haben ihre neue Theorie auf viele Materialien angewandt und dabei Phänomene erklärt, die zuvor nur ungenügend verstanden waren. Insbesondere machten sie Vorhersagen, die in der Folge durch das Experiment bestätigt wurden. Dadurch entstand ein weites, neues Gebiet der Physik der kondensierten Materie, in dem es in den kommenden Jahren sicherlich noch viele wichtige Einsichten und Entdeckungen geben wird. Einige dieser Entdeckungen werden einen direkten Einfluß auf die Entwicklung der Technologie haben, womit die Verleihung des Agilent Technologies Europhysics Preis eine hervorragende Wahl war.

Europhysics Prize 2006: Dynamical Mean-Field Theory

(This is the text of the official citation by the European Physical Society.)

Heavy fermion compounds, high temperature superconductors and many other materials with unusual properties like colossal magnetoresistance in manganites, revived the studies of strongly correlated electron systems. This field was already very active in the 60's, in particular for the study of the Mott metal to insulator transition, experimentally observed in materials like Vanadium oxide. The full explanation of this phenomenon is one of the main achievements obtained with the method introduced by the winners of the 2006 Agilent prize.

The main theoretical paradigms previously available to describe metallic phases, like band theory and Fermi liquid theory, were inadequate to deal with strongly correlated systems. Even if the insulating phase could be described in terms of electrons localized at atoms, strongly correlated systems are generically in the intermediate regime where the localizing electron-electron interaction is comparable and competes with the delocalizing kinetic energy. These two terms are usually schematized via the Hubbard Hamiltonian with an on-site repulsion and with a hopping term between neighbour sites. The competing effect leads to a variety of physical properties and to rich phase diagrams. The difficulty in dealing with these systems, even when they are schematized in terms of the simplest model Hamiltonian, is due to the intrinsic non-perturbative nature of the problem in the absence of the simplifying aspects of universality available for instance in classical critical phenomena. Solvable limits with a well-defined controlling parameter are therefore of invaluable help in understanding these systems.

Walter Metzner and Dieter Vollhardt introduced the method of dealing with correlated fermions on a lattice by a suitable rescaling of the hopping in the large dimensionality limit or better in the large lattice coordination number, whose inverse is the controlling parameter. In this way they succeeded to maintain the dynamical competition between the kinetic energy and the Coulomb interaction along with the discovery of the main simplification of the method, namely the locality of perturbation theory. This dynamical mean field theory (DMFT) is a well defined starting point to deal with finite dimensional correlated systems in the same spirit as the cavity mean field is for classical statistical systems.

Antoine Georges and Gabriel Kotliar introduced a considerable technical and conceptual improvement of the DMFT that produced many applications to physical systems. By relating DMFT to the single impurity Anderson model, the full quantum many body problem of correlated materials on a lattice or on the continuum was reduced to an impurity self-consistently coupled to a bath of electrons.

The single site problem retains the full dynamics of the original problem. In analogy with the classical mean field theory where a single degree of freedom (e.g. a spin on a site) is immersed in the self-consistent effective field (the Weiss field) of the remaining degrees of freedom, here a local set of quantum mechanical degrees of freedom on a single site are linked to the reservoir of the electrons via a frequency dependent function which plays the role of the self-consistent mean field and allows the electrons to be emitted and absorbed in the atom. A local description of correlated systems is achieved, which is amenable to calculations while the main features of competition between itinerancy and locality are still present.

Various extensions of the method are now considered e.g.: Realistic one-particle and Coulomb interaction aspects are included by combining local density approximation method and DMFT; Short range space-correlations are introduced by switching from a single atom to a cluster.

The very successful applications of the method have covered numerous phenomena at the heart of the present research activity. To quote just few of them we can mention the metal-insulator transition, the doped Mott insulator, the competition of spin, charge and orbital order, the interplay between correlation and electron-phonon interaction, the phonon spectrum of delta Plutonium and some general features related to quantum criticality.

In conclusion the Dynamical Mean-Field Theory represents one of the most powerful approaches to strongly correlated electron systems. In addition to the number of successes of DMFT in model systems and realistic calculations, the applications of the method are still increasing and many extensions and developments are nowadays the object of the research of several groups.