Schaufenster - Blick in unsere Forschung

Wir forschen an der Zukunft! Die Wissenschaftler:innen von ct.qmat ergründen die Rätsel der Quantenmaterialien. Welche bahnbrechenden Ergebnisse dies verspricht und warum in unseren Hochleistungslaboren extreme Bedingungen herrschen – das verrät dir dieses SCHAUFENSTER in unterhaltsamer Weise. Durch die Hauptthemenfelder kannst du auf dieser Seite navigieren und erfährst, woran wir gerade arbeiten. Den tieferen Einstieg ermöglichen dir die Verweise zu Hintergrundwissen, das wir für dich kurzweilig aufgearbeitet haben. Schau rein und entdecke die Welt der Quantenmaterialien!

Ultratiefe Temperaturen, superstarke Magnetfelder, enormer Druck – die Fahndung nach den Werkstoffen des 21. Jahrhunderts findet unter Extrembedingungen statt. Nur dann offenbaren Quantenmaterialien ihre noch unentdeckten Fähigkeiten, die bahnbrechende Möglichkeiten versprechen. Wie eine revolutionäre Generation von megaschnellen Quantenchips, die kaum Energie verbrauchen und über gigantische Speicherkapazitäten verfügen. In Hochleistungslaboren forschen die Wissenschaftler:innen des Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien deshalb intensiv daran, die geheimnisvolle Quantenwelt weiter zu entschlüsseln, bisher unbekannte Stoffe zu entdecken und für den Alltag nutzbar zu machen. Ein Physiker des Exzellenzclusters hat 2007 das erste topologische Quantenmaterial nachgewiesen und damit das neue Forschungsfeld eröffnet. Heute ist ct.qmat Teil einer globalen Wissenschaftscommunity, die Atom für Atom die Zukunft designt.

Computer heizen, und das nicht zu knapp. Doch bei Überhitzung macht die Technik schlapp. Deshalb sind die Rechnerfarmen bei Google gigantische Kühlkammern. Schließlich könnten schon rund 300 Suchanfragen einen Liter Wasser zum Kochen bringen – und durchschnittlich laufen etwa 3,5 Milliarden Aufträge pro Tag bei der Suchmaschine ein (Stand 12/19). Das ist eine Menge verschwendete Energie! Die umweltfreundlichere Lösung: kalte Chips, leistungsfähig, sparsam, ohne Abwärme. Hoffnungen darauf weckt eine neue Materialklasse – die topologischen Isolatoren, ein Forschungsgebiet des Exzellenzclusters ct.qmat.

Der Wettstreit um den Quantencomputer ist in vollem Gange. Die Hightech-Industrie und eine riesige Wissenschaftscommunity arbeiten an verschiedenen Wegen zu einem Ziel: dem „nächsten großen Ding“, das die Welt verändert. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen sind Bereiche, denen Quantencomputing zum Durchbruch verhelfen könnte.

Quantencomputer rechnen mit QuBits. Während ein klassisches Bit nur die Zustände 0 und 1 kennt, kann sich ein QuBit in einer Überlagerung befinden – also in einem von unendlich vielen Zwischenzuständen. Doch diese Zustände sind äußerst fragil und zerfallen rasant. Hier kommt die Topologie ins Spiel: Ihre Mechanismen sollen überlagerte Quantenzustände stabilisieren – als Voraussetzung für extrem leistungsfähige Quantencomputer.

Was haben Wirbel und Donut mit Quantenphysik zu tun? Dazu muss man die Topologie bemühen – ein Teilgebiet der Mathematik. Es beschäftigt sich mit den globalen Eigenschaften von geometrischen Gebilden, die unter stetiger Verformung erhalten bleiben. Ein Wirbelsturm wächst zum Beispiel zu einem Hurrikan, ohne seine Drehrichtung zu ändern: Sie ist eine topologische Eigenschaft.

Die Topologie hilft, das Innere von Quantenmaterialien zu erklären. Diese lassen sich mithilfe von Wellen auf einem geometrischen Gebilde beschreiben, das die Gestalt eines Donuts hat. Bereits 1982 erkannte ein späterer Nobelpreisträger, dass diese Wellen Wirbel aufweisen können, die die Eigenschaften des Materials fundamental ändern. Zum Beispiel lässt sich elektrischer Strom an der Oberfläche verlustfrei leiten. Trotzdem blieb die Topologie in der Physik zunächst eine Nische, erlebte erst ab 2005 einen Boom. Heute ist sie ein allgemeingültiges Konzept, um Zustände von Materie (fest, flüssig, gasförmig …) besser zu verstehen. 2016 wurden die Pioniere der topologischen Physik mit dem Nobelpreis belohnt. Inzwischen werden topologische Quantenmaterialien am Computer entworfen, mit maßgeschneiderten Eigenschaften ausgestattet und im Labor produziert.

Ist die Tarnkappe nur noch eine Frage der Zeit? Funktionieren die Computer der Zukunft mit Licht? An den Antworten tüfteln Wissenschaftler:innen in Hightechlaboren. Hier entwerfen sie am Computer neue Werkstoffe, die unser Leben entscheidend verändern können. Maßgeschneidert für ihren jeweiligen Zweck. Diese künstlich erzeugten Metamaterialien verfügen über ausgeklügelte Strukturen mit optischen, elektrischen, magnetischen oder mechanischen Eigenschaften, die in der Natur nicht existieren – oder gar nicht vorkommen können. Diese physikalischen Effekte lassen neuartige Anwendungen erhoffen. So könnte ein räumlich verschiedener Brechungsindex dafür sorgen, dass die Lichtwellen um ein solches Metamaterial herumlaufen – und ein Gegenstand im Inneren unsichtbar wird. Noch ist das Science Fiction, doch die Forscher:innen sind sicher: Unmöglich ist es nicht. Schon jetzt lassen sich einzelne Lichtfarben umlenken, sodass eine Tarnkappe beispielsweise für rotes Licht entsteht.

Jeder Magnet hat einen Nord- und einen Südpol. Gleiche Pole stoßen sich ab, Gegensätze ziehen sich an. Treffen drei Magnete aufeinander, können sie keinen Idealzustand herstellen. Sie müssen einen Kompromiss finden – das frustriert! Liegt eine große Zahl frustrierter Magnete vor, reagiert dieses Gesamtsystem sehr sensibel auf kleinste Zusatzeinflüsse. Ein Luftzug, eine Erschütterung oder der Eisenverschluss einer vorbeigetragenen Tasche genügen schon, um eine Wirkung zu erzielen. Schlussendlich ergibt sich aus all dem eine zufällige Anordnung der Magnete, die so noch nie dagewesen ist. Dieser Effekt lässt sich auch im Inneren von Quantenmaterialien beobachten. Auf der Ebene der Atome wirbeln Elementarmagnete – Elektronenspins – und suchen die perfekte Lage zueinander, doch die besondere Struktur des Kristallgitters lässt dies nicht zu. Die winzigen Elementarmagnete sind frustriert. Aus dem Wechselspiel von Milliarden Teilchen entwickeln sich nun Kompromisszustände, die über vollkommen neue kollektive Eigenschaften verfügen. Auf diese Weise entstehen in frustrierten Magneten exotische Teilchen – beispielsweise Majorana-Fermionen, mögliche Bausteine für topologische Quantencomputer.

... in der Sonderausstellung SCHAUFENSTER DER FORSCHUNG in den Technischen Sammlungen Dresden. Sieben Mitmach-Exponate vom haarigen Donut bis zum topologischen Kaffeetisch laden zum spielerischen Entdecken, Erforschen und Verstehen ein:

Quantenmaterialien – der Vorstoß in neue Dimensionen

12.09.2020 – 31.12.2024

Technische Sammlungen Dresden

Junghansstraße 1-3, 01277 Dresden

Eine Ausstellung in den Technischen Sammlungen Dresden in Kooperation mit dem Dresden-Würzburger Exzellenzcluster ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien, dem Barkhausen Institut sowie DRESDEN-concept und der Landeshauptstadt Dresden.