05.06.2023

Quantenmaterialien gesucht

Sonderforschungsbereich widmet sich topologischen Isolatoren und Quantenspinflüssigkeiten.

Ein Großforschungsprojekt unter Federführung der Universität Augsburg und der TU München wird sich in den kommenden Jahren einem zentralen Zukunfts­thema widmen: der Entwicklung und Untersuchung neuartiger Materialien, deren Eigenschaften wesentlich durch Quanten­effekte geprägt sind. Langfristig könnten sie etwa als Basis extrem leistungsfähiger Computer dienen. An dem Transregio-Sonder­forschungs­bereich sind insgesamt acht Universitäten und Forschungs­institute beteiligt, davon sieben in Deutschland.

 

Abb.: Bei der Forschung des Trans­regios zu eingeschränkter Quanten­materie...
Abb.: Bei der Forschung des Trans­regios zu eingeschränkter Quanten­materie kommt ein Raster­kraft­mikroskop zum Einsatz. (Bild: U. Augburg)

Die Deutsche Forschungs­gemeinschaft (DFG) fördert das Projekt mit zwölf Millionen Euro; rund zehn Millionen davon fließen nach Bayern. Die Universität Augsburg ist an weiteren drei geförderten Sonder­forschungs­bereichen beteiligt.

Für die Festköperphysik war die Welt lange Zeit übersichtlich: Es gab Materialien, die den elektrischen Strom leiten; es gab andere, die das nicht tun, und schließlich solche, die eines kleinen Schubsers bedürfen, bevor sie sich dazu überreden lassen: die Halbleiter.

2007 trat eine vierte Gruppe auf den Plan: die topologischen Isolatoren. Diese leiten Strom nur an ihrer Oberfläche, dort allerdings extrem gut. In ihrem Zentrum sind sie dagegen Isolatoren. Topologische Isolatoren zählen zu einer wachsenden Familie neuartiger Materialien, deren exotische Eigenschaften maßgeblich auf quanten­physikalischen Effekten beruhen. Sie werden daher als Quantenmaterialien bezeichnet.

Der jetzt bewilligte Transregio-Sonder­forschungs­bereich soll in den kommenden Jahren die Entwicklung und Untersuchung derartiger Materialien vorantreiben. Denn sie gelten unter anderem als Schlüssel zu ultraschnellen Quanten­computern. Diese machen sich zur Lösung bestimmter mathematischer Probleme quantenmechanische Effekte zunutze. Aufgaben, für die heutige Rechner Jahre benötigen, könnten sie daher in Sekundenbruchteilen bewältigen.

Oft kommen Quanteneffekte nur in der Welt der allerkleinsten Dinge zum Tragen – zum Beispiel auf Molekül- oder Atomebene. „Die bisher verfügbaren Quanten-Rechner erfordern daher sehr aufwändige Techniken, mit denen sich etwa einzelne Atome manipulieren lassen“, erklärt der Augsburger Physiker István Kézsmárki, Sprecher des neuen Transregio-SFBs.

So müssen die Atome in der Regel stark heruntergekühlt werden. In diesem Zustand lassen sie sich dann beispielsweise mit Pinzetten aus Laserlicht greifen und mit Informationen beschreiben. „Die dazu nötigen Technologien sind höchst komplex“, sagt der Wissenschaftler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Augsburg. „Zudem sind die Systeme anfällig gegenüber störenden Einflüssen.“ Selbst ein sehr einfacher Quantencomputer füllt daher heute ein halbes Labor.

Quantenmaterialien sind dagegen wesentlich leichter zu handhaben: In ihnen treten bestimmte quanten­mechanische Effekte auch dann auf, wenn viele Atome oder Moleküle zusammenkommen. „Zudem sind Materialien denkbar, die diese Phänomene sogar bei Raumtemperatur entfalten“, betont Kézsmárki. Der Sonder­forschungs­bereich sucht daher unter anderem nach Materialien, die sich für den Einsatz in künftigen Quanten­computern eignen könnten.

Eine wichtige Rolle bei dieser Suche spielen „Constraints“. Dabei handelt es sich um geschickt implementierte spezielle Regeln, die einem Material aufgezwungen werden. Obwohl diese Regeln erst einmal eine starke Einschränkung bedeuten, erzeugen sie interessanter­weise Materialien mit neuen exotischen Eigenschaften. Nur wenn das Material ihnen genügt, zeigt es die gewünschten Quanten-Phänomene. „Indem wir uns an solchen Constraints orientieren, können wir leichter Materialien mit entsprechenden Eigenschaften finden“, erklärt Kézsmárki. „Zudem hoffen wir, dadurch sogar gezielt neue Quanten­zustände herstellen zu können.“

Bei ihrer Suche konzentrieren sich die Wissenschaftler einerseits auf Materialien, zu denen auch die topologischen Isolatoren gehören. Als weiterer Ausgangs­punkt dient ihnen eine zweite Gruppe von Materialien, die Quanten­spin­flüssigkeiten ausbilden. „Wir wollen zudem untersuchen, wie sich Quantenmaterialien verhalten, wenn wir sie – etwa durch die Zuführung von Strahlungsenergie – aus dem Gleichgewicht bringen“, sagt der Wissenschaftler. „Wir erwarten, dass sie dann plötzlich ganz andere und möglicherweise auch völlig neue Eigenschaften zeigen.“

Die Präsidentin der Universität Augsburg Sabine Doering-Manteuffel wertet den Erfolg als Beleg für das hohe wissen­schaftliche Renommee der Universität in diesem zukunftsträchtigen Feld der Quanten­physik: „Wir sind sehr stolz darauf, dass sich unser SFB-Antrag durchsetzen konnte“, sagt sie. „Die Förder­entscheidung der DFG wird der großen wissenschaftlichen Expertise, die die Universität Augsburg auf diesem Gebiet vorzuweisen hat, noch weitere internationale Sichtbarkeit verleihen.“

In dem Großprojekt mit dem Titel „Eingeschränkte Quanten­materie“ kooperieren Wissen­schaftler aus sehr verschiedenen physikalischen Fach­richtungen. Neben der Universität Augsburg ist die TU München Mit­antragsteller, die mit Frank Pollmann auch den stellvertretenden Sprecher stellt.

Neben der Universität Augsburg und der TU München sind Arbeits­gruppen der Universität Leipzig, der Universität Tokyo, der Max-Planck-Institute für Festkörper­forschung (Stuttgart) und für Quanten­optik (Garching), des Walther-Meißner-Instituts (Garching) sowie des Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrums (Garching) beteiligt.

U. Augsburg / DE

 

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