Förderung lässt internationales Team exotische Supraleiter untersuchen
Forschende aus Saarbrücken, Dortmund, Eindhoven und Toronto in einem von der Klaus Tschira Stiftung finanzierten Projekt vereint.
Supraleiter sind für viele Hochtechnologie-Anwendungen von zentraler Bedeutung, seien es Quantencomputer, Medizintechnik oder Hochleistungs-Energieanwendungen. Um die Prozesse in Supraleitern besser zu verstehen und perspektivisch Materialien zu entwickeln, die eine Anwendung bei weniger kalten Temperaturen möglich machen, braucht es mehr Grundlagenforschung. An dieser Stelle kommen Andreas Buchheit (Mathematiker; Universität des Saarlandes), Benedikt Fauseweh (Physiker; TU Dortmund), Torsten Keßler (Mathematiker; TU Eindhoven) und Kirill Serkh (Mathematiker; Universität Toronto) ins Spiel. Gemeinsam möchten die vier Principal Investigators des von der Klaus Tschira Stiftung geförderten Projektes genauer verstehen, was im Inneren eines Hochtemperatursupraleiters vor sich geht, damit Strom widerstandsfrei durch ihn hindurchfließen kann.
„Supraleiter sind eine einzigartige Materialklasse, aber insbesondere Hochtemperatursupraleiter sind in vielen Aspekten noch nicht verstanden“, erläutert Benedikt Fauseweh, der mit seiner Gruppe theoretische Beschreibungen von Supraleitern entwickelt. „Unter anderem schauen wir uns topologisch nichttriviale Phasen an“, ergänzt Andreas Buchheit.
Die Forscher bewegen sich im Grenzbereich der bisher bekannten Physik, den sie mithilfe der Mathematik weiter ausdehnen wollen. „Wir tasten uns mathematisch Stück für Stück vor, um neue physikalische Mechanismen zu identifizieren, welche die kritische Temperatur von Supraleitern erhöhen können“, so Buchheit.
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Er umschreibt, was mit „topologisch nichttrivialen Phasen“ gemeint ist: „Vergleichbar sind solche Zustände mit einem Knoten, der in einen Faden gemacht wird. Wackele ich anschließend am Faden, bleibt der Knoten trotzdem erhalten und geht nicht auf, es sei denn, man zieht an der richtigen Stelle. Ebenso verhält es sich in solchen Materialien: ‚Wackele‘ ich an ihnen, störe also das System, bleiben sie bis zu einem gewissen Grad der Störung dennoch stabil“, so der Forscher.
Den Supraleiter so zu gestalten, dass er sich verhält wie der metaphorische Knoten und trotz äußerer Einflüsse relativ stabil bleibt, ist eine große Herausforderung. Denn die Qubits, also die Recheneinheiten, die den Bits in einem herkömmlichen Computer entsprechen, sind derart empfindlich, dass bereits eine winzigste Störung den Quantenzustand zerstört. Bislang sind Quantencomputer „launische Diven“, die sich jegliche Einmischung von außen verbitten. Topologische Supraleiter versprechen hier, die „Diven“ etwas milder zu stimmen.
In vorherigen Arbeiten haben die Forscher bereits gezeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Elektronen über lange Distanzen genau zu einem solchen Effekt führen können, die den Supraleiter stabilisieren. Diese Erkenntnisse sollen nun weiterentwickelt werden, um effiziente Simulationen von exotischen Supraleitern am Computer zu ermöglichen, welche mit bisherigen Methoden nicht erreichbar waren. Für dieses Ziel sind ausgefeilte mathematische Operationen nötig: „In Simulationen zeigen sich die physikalisch wünschenswerten ‚Knoten‘ als mathematische Singularitäten. Deren numerische Behandlung bedarf maßgeschneiderten Methoden und Algorithmen, die zuverlässig solche Zustände aufspüren und erhalten“, fügt Torsten Keßler hinzu. Er ist auf großskalige Rechnungen im Bereich von Quantensystemen spezialisiert und Mitgründer des Start-Ups „Simkinetic“, das zum Ziel hat, Design- und Entwicklungszyklen in der Hightech-Industrie mithilfe neuer Impulsen aus der Forschung signifikant zu beschleunigen.
„Moderne Quantencomputer auf Basis von Supraleitern haben immer noch viele Nachteile, die auf Materialprobleme zurückgeführt werden können. Um diese Probleme zu beheben, brauchen wir ein fundamentales Verständnis von Supraleitern“, erläutert Benedikt Fauseweh, der die Chancen und Schwierigkeiten von Quantencomputern erforscht.
Materialien, die Strom ohne jeglichen Widerstand passieren lassen, spielen im Quantencomputing eine entscheidende Rolle. Sie bilden die Grundlage für Qubits in modernen Quantencomputern. Wenn man nun wüsste, wie sich ein Material bei höheren Temperaturen – also weniger Kühlungsaufwand – gezielt zum Supraleiter machen ließe, wäre man stabileren Quantenzuständen einen guten Schritt nähergekommen. Um das Bild von Andreas Buchheit zu verwenden: Der Knoten im Faden wäre deutlich fester. [UdS / KTS / dre]
