Grenzenlose Vielfalt

Quantentechnologien für übermorgen

5. September 2019 Topologische Zustände von Materialien

Die Quantenmaterie könnte eine der bedeutendsten "Erfindungen" des 21. Jahrhunderts werden. Ihre Topologie erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Dresden und in Würzburg in einem gemeinsamen Exzellencluster. Beide Standorte sind mittlerweile führend auf diesem Gebiet. Aber was bringt uns die Quantenmaterie denn so Bahnbrechendes?

Forscherinnen und Forscher arbeiten im Exzellenzcluster „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien (ct.qmat)“ an einer Ultrahochvakuum-Apparatur.

„Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien (ct.qmat)“ ist der einzige 2018 bewilligte  Exzellenzcluster, der über Bundesländergrenzen hinweg agiert: Seine Grundlage liefern zwei DFG-geförderte Sonderforschungsbereiche in Dresden und Würzburg. Mittlerweile sind beide Standorte deutschlandweit führend in der Untersuchung topologischer Materialien, Dresden bringt zudem seine Erfahrung im Quantenmagnetismus und Würzburg in der Strukturierung von Halbleiter-Materialien ein. „Diese Zusammenarbeit wollen wir im Exzellenzcluster intensivieren, um unser  wissenschaftliches Portfolio zu erweitern“, sagt der Dresdener Clustersprecher Matthias Vojta.

Damit soll der Grundstein für ein weltweit führendes Zentrum zur Erforschung von  Quantenmaterialien geschaffen werden. Forscherinnen und Forscher aus Physik, Chemie und Materialwissenschaften arbeiten gemeinsam daran, topologische Zustände von Quantenmaterie – also die mathematische Untersuchung von Formen und ihrer Anordnung im Raum – zu verstehen, zu steuern und anzuwenden.

Für Materialien mit maßgeschneiderten Funktionalitäten

Diese Materialklasse birgt ein ungeheuer vielfältiges Anwendungspotenzial in allen modernen Hochtechnologien – angefangen von der Informationsverarbeitung über die Energieversorgung bis hin zur Medizintechnik. „Was einst der Stein für die Steinzeit oder Bronze für die Bronzezeit war, ist die Quantenmaterie für das digitale 21. Jahrhundert“, erklärt Vojta. Und er ergänzt: „Wir wollen im Cluster die Materialgrundlagen für die Quantentechnologien von übermorgen legen. Wir erforschen und identifizieren Materialien, in denen spannende Dinge passieren, die man für Anwendungen nutzen könnte.“

Im nächsten Schritt wollen die Forscherinnen und Forscher aus diesen Materialien Prototypen von Bauelementen wie Laser oder Sensoren konstruieren und testen, ob sie unter realen Bedingungen funktionieren. „Und dann kann man über Anwendungen im industriellen Bereich nachdenken“, sagt Vojta. Auch wenn der Cluster in der Hauptsache Grundlagenforschung betreibe, spiele die Anwendung eine wichtige Rolle und bildet eine der vier Clustersäulen.

Erst die großen Fortschritte im Materialdesign eröffnen den Festkörperphysikerinnen und -physikern die Möglichkeit, neue Materialien mit maßgeschneiderten Funktionalitäten zu entwickeln. „Wir haben viele physikalische Grundlagen in Richtung Quantenmechanik oder auch Topologie verstanden“, unterstreicht der Physiker und Würzburger Clustersprecher Ralph Claessen. Für „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien“ sei es besonders wichtig, „dass wir nun prinzipiell in der Lage sind, am Computer Materialien auf atomarem Niveau mit bestimmten Eigenschaften zu entwickeln“. In dem Augenblick, in dem die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf theoretischem Niveau neue Effekte anhand einfacher Modelle identifizieren könnten, sei es auch möglich, „dass die  Materialforschung auf atomarem Niveau gezielt nach Verbindungen sucht“.