Die Entwicklung und Anwendung von akkuraten Ab-Initio-Rechnungen ist eine der größten aktuellen Herausforderungen der numerischen Festkörperphysik. Die Idee ist hierbei, nur auf Basis von atomaren Kennzahlen messbare und technologisch relevante Eigenschaften zu berechnen, ohne jegliche experimentelle Vorgaben. Effiziente selbstkonsistente Bandstruktur-Rechnungen, deren Entwicklung vor allem auch Ole K. Andersen (Deutschland/Dänemark) vorangetrieben hat, ermöglichen den Zugang zu den elektronischen Eigenschaften von Tausenden wissenschaftlich und technologisch relevanten Materialien. Basierend auf bereits bekannten Kristallstrukturen gelang es, elastische, magnetische sowie elektronische Eigenschaften zu berechnen und damit de facto ein vollständig neues Feld in den numerischen Materialwissenschaften zu begründen. Im 21. Jahrhundert sind diese Rechnungen nun so effizient und zuverlässig geworden, dass sogar Vorhersagen von Kristallstrukturen möglich geworden sind, wobei gerade Michele Parrinello (Schweiz) mit seinen Pionier-Arbeiten dazu beigetragen hat, die Notwendigkeit von empirischen Vorgaben fast vollständig zu eliminieren. Gleichzeitig erlauben es neue Methoden erstmals, u.a. die sog. stark korrelierten Materialien zu beschreiben.

Daher war dieses Seminar, das vom 30. Oktober bis 3. November in Bad Honnef stattfand, dem enormen Fortschritt der letzten zwei Jahrzehnte gewidmet, mit zwei Schwerpunkten:

Methodenentwicklung: Der rapide Fortschritt in der Computerleistung sowie fortschrittliche Methoden und Algorithmen versetzen uns nun in die Lage, Kristallstrukturen und elektronische Phänomene von viel höherer Komplexität zu betrachten. Silke Biermann (Frankreich) und Ferdi Aryasetiawan (Schweden) stellten einige dieser Methoden zur Behandlung von stark korrelierten Systemen vor. Deren Weiterentwicklung ist eine der großen Herausforderungen der numerischen Festkörperphysik.

Anwendung: Die großen Fortschritte in der Methodenentwicklung erlauben es nun auch, in groß angelegten Studien nach neuen Materialien zu suchen. Michelle Johannes (USA) stellte ein Konzept zum Design von überlegenen Materialien für Batterien vor, in welchem Materialien aus besonders leistungsfähigen Komponenten gezielt zusammengestellt werden. Ein alternativer Ansatz, präsentiert von Geoffroy Hautier (Belgien), kombiniert modernste Data-Mining-Techniken und Ab-Initio-Rechnungen, um viele Tausende Materialien zu scannen und solche auszuwählen, welche die gewünschten Eigenschaften in maximaler Ausprägung zeigen. Vielversprechend sind auch die Arbeiten von Alessandro Toschi (Österreich), Sergey Streltsov (Russland) und Vaclav Drchal (Tschechische Republik), die das Verhalten von Eisen im Erdkern und dabei insbesondere dessen Magnetohydrodynamik untersuchen. Da dieses einzigartige Phänomen experimentell kaum zugänglich ist, spielen theoretische Untersuchungen eine einzigartige und unverzichtbare Rolle zu ihrem Verständnis.

Dies sind nur einige wenige Beispiele für die Erfolge, die auf dem Gebiet der Ab-Initio-Rechnungen in den letzten zwei Jahrzehnten erzielt wurden und deren Entwicklung wir auch in den nächsten Jahren gespannt entgegenblicken.

Prof. Roser Valenti, Universität Frankfurt/M.
Prof. Lilia Boeri, TU Graz/AT
Dr. I. Mazin, Naval Research Laboratory, Washington/USA
Prof. Tanusri Saha-Dasgupta, Kalkutta/IND