2007 trat eine vierte Gruppe auf den Plan: die topologischen Isolatoren. Diese leiten Strom nur an ihrer Oberfl?che, dort allerdings extrem gut. In ihrem Zentrum sind sie dagegen Isolatoren. Topologische Isolatoren z?hlen zu einer wachsenden Familie neuartiger Materialien, deren exotische Eigenschaften ma?geblich 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 L?sung bestimmter mathematischer Probleme quantenmechanische Effekte zunutze. Aufgaben, für die heutige Rechner Jahre ben?tigen, k?nnten sie daher in Sekundenbruchteilen bew?ltigen.

Quantenphysikalische Effekte bei Raumtemperatur

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 aufwendige Techniken, mit denen sich etwa einzelne Atome manipulieren lassen“, erkl?rt der Augsburger Physiker Prof. Dr. 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 n?tigen Technologien sind h?chst komplex“, sagt der Wissenschaftler vom Institut für Experimentalphysik der Universit?t Augsburg. ?Zudem sind die Systeme anf?llig gegenüber st?renden 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 Ph?nomene sogar bei Raumtemperatur entfalten“, betont Kézsmárki. Der Sonderforschungsbereich sucht daher unter anderem nach Materialien, die sich für den Einsatz in künftigen Quantencomputern eignen k?nnten.

?Einschr?nkungen“ vereinfachen die Suche

Eine wichtige Rolle bei dieser Suche spielen sogenannte ?Constraints“. Dabei handelt es sich um geschickt implementierte spezielle? Regeln,? die einem Material aufgezwungen werden. Obwohl diese Regeln erst einmal eine starke Einschr?nkung bedeuten, erzeugen sie interessanterweise Materialien mit neuen exotischen Eigenschaften – getreu dem Prinzip ?weniger ist mehr“. Nur wenn das Material ihnen genügt, zeigt es die gewünschten Quanten-Ph?nomene. ?Indem wir uns an solchen Constraints orientieren, k?nnen wir leichter Materialien mit entsprechenden Eigenschaften finden“, erkl?rt Kézsmárki. ?Zudem hoffen wir, dadurch sogar gezielt neue Quantenzust?nde herstellen zu k?nnen.“

Bei ihrer Suche konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einerseits auf Materialien, zu denen auch die topologischen Isolatoren geh?ren. Als weiterer Ausgangspunkt dient ihnen eine zweite Gruppe von Materialien, die sogenannte 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 pl?tzlich ganz andere und m?glicherweise auch v?llig neue Eigenschaften zeigen.“

F?rderentscheid unterstreicht Augsburger Expertise

Die Pr?sidentin der Universit?t Augsburg Prof. Dr. Sabine Doering-Manteuffel wertet den Erfolg als Beleg für das hohe wissenschaftliche Renommee der Universit?t in diesem zukunftstr?chtigen Feld der Quantenphysik: ?Wir sind sehr stolz darauf, dass sich unser SFB-Antrag durchsetzen konnte“, sagt sie. ?Die F?rderentscheidung der DFG wird der gro?en wissenschaftlichen Expertise, die die Universit?t Augsburg auf diesem Gebiet vorzuweisen hat, noch weitere internationale Sichtbarkeit verleihen.“

In dem Gro?projekt mit dem Titel ?Eingeschr?nkte Quantenmaterie“ kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus sehr verschiedenen physikalischen Fachrichtungen. Neben der Universit?t Augsburg ist die TU München Mitantragssteller, die mit Prof. Dr. Frank Pollmann auch den stellvertretenden Sprecher stellt.

Neben der Universit?t Augsburg und der TU München sind Arbeitsgruppen der Universit?t Leipzig, der Universit?t Tokyo, der Max-Planck-Institute für Festk?rperforschung (Stuttgart) und für Quantenoptik (Garching), des Walther-Mei?ner-Instituts (Garching) sowie des Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrums (Garching) beteiligt.

In Sonderforschungsbereichen f?rdert die DFG besonders innovative, anspruchsvolle und langfristige Verbundvorhaben für maximale 12 Jahre. Alle vier Jahre wird über eine Weiterfinanzierung entschieden. Die Universit?t Augsburg koordiniert den jetzt bewilligten Transregio; sie ist zudem an drei weiteren SFBs beteiligt.

Universit?t Augsburg an weiteren drei Sonderforschungsbereichen beteiligt

An weiteren von der DFG bewilligten Sonderforschungsbereiche/Transregios ist die Universit?t Augsburg beteiligt:

• Sonderforschungsbereich 1585 ?Strukturierte Funktionsmaterialien für multiplen Transport in nanoskaligen r?umlichen Einschr?nkungen“? (Universit?t Bayreuth, Sprecher: Professor Dr. Jürgen Senker; beteiligt an der Universit?t Augsburg: Prof. Dr. Fabian Pauly, Theoretische Physik)
• SFB/Transregio 386 ?HYP*MOL – Hyperpolarisation in molekularen Systemen“ (Universit?t Leipzig, Sprecher: Professor Dr. J?rg Matysik; ebenfalls antragstellend: TU Chemnitz; beteiligt an der Universit?t Augsburg: Dr. Christian Wiebeler, Computergestützte Biologie)

• SFB 1389 ??berwindung der Therapieresistenz von Glioblastomen“ (Universit?t Heidelberg, Sprecher: Professor Dr. Wolfgang Wick; beteiligt an der Universit?t Augsburg: Prof. Dr. Matthias Schlesner, Biomedizinische Informatik, Data Mining und Data Analytics)

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