Neue Quantenmateria­lien: Exzellenzclus­ter ct.qmat bewilligt

Was für die Steinzeit der Stein, für die Bronzezeit die Bronze und die Eisenzeit das Eisen, ist für das digitale 21. Jahrhundert die Quantenmaterie. Diese Materialklasse birgt ein ungeheuer vielfältiges Anwendungspotenzial in allen modernen Hochtechnologien – von der Informationsverarbeitung über die Energieversorgung bis hin zur Medizintechnik. Vor einer breiten Anwendung ist allerdings noch grundlegende Forschung nötig. Mit dem jetzt bewilligten Verbund-Exzellenzcluster ct.qmat zur Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien wollen die TU Dresden und die Julius-Maximilians-Universität Würzburg den Grundstein dafür legen, ein weltweit führendes Zentrum für die Erforschung von Quantenmaterialien zu schaffen. Forscher aus Physik, Chemie und Materialwissenschaften werden gemeinsam daran arbeiten, topologische Zustände von Quantenmaterie zu verstehen, zu steuern und anzuwenden.

Die revolutionäre Entdeckung im 21. Jahrhundert, dass die mathematische Disziplin der Topologie ein fundamentaler Schlüssel für das Verständnis quantenmechanischer Materiezustände ist, löste weltweit Forschungsaktivitäten aus. Topologie beschreibt Eigenschaften von Objekten, die unter stetiger Verformung erhalten bleiben. Dies führte zur Entdeckung zahlreicher topologischer Materialien und Phänomene. Schlüsselbeiträge hierzu kamen aus Würzburg (Quanten-Spin-Hall-Effekt) und Dresden (Vorhersage magnetischer Monopole in Spin-Eis).

Mittlerweile sind Dresden und Würzburg deutschlandweit führende Standorte für die Untersuchung topologischer Materialien mit jeweils einem Sonderforschungsbereich. Die einzelnen Forschungsschwerpunkte, Expertisen und apparativen Möglichkeiten ergänzen sich: Beispielsweise ist Dresden ein Zentrum für die Erforschung von Quantenmagnetismus, während Würzburg auf dem Gebiet der grundlegenden Halbleiterforschung aktiv ist.

Überlegungen zur Einrichtung von Forschungsclustern über Quantenmaterialien gab es Ende 2015 unabhängig voneinander in beiden Universitäten. Die Idee, Kompetenzen zu bündeln und einen gemeinsamen Antrag zu stellen, entstand dann im Frühjahr 2016.

Heute wurden die Bemühungen der vergangenen zwei Jahre von Erfolg gekrönt.

Die Freude ist Clustersprecher Prof. Matthias Vojta vom Institut für Theoretische Physik der TU Dresden ins Gesicht geschrieben: „Die Bewilligung von ct.qmat ist ein überragender Erfolg für alle Beteiligten. Unsere Arbeit hat sich ausgezahlt. Das Cluster wird die Festkörperphysik am Standort Dresden weiter stärken und uns neue Möglichkeiten für Spitzenforschung eröffnen. Zusammen mit unseren Würzburger Kollegen wollen wir die Grundlagen für Quantentechnologien der Zukunft legen.“

Die vielfältigen, sich ergänzenden Fachexpertisen und Forschungsstrukturen in Würzburg und Dresden bilden die Basis für ein breites Forschungsprogramm. Es reicht von der Materialsynthese über die experimentelle und theoretische Untersuchung topologischer Phänomene sowie ihrer funktionellen Kontrolle bis hin zum Entwurf und Test von Anwendungskonzepten, zum Beispiel für verlustfreie Elektronik oder Quantencomputer.

Das Programm sattelt auf die existierenden Forschungskooperationen zwischen beiden Universitäten und ihren Partnerinstituten auf und wird diese erheblich erweitern. Zu den am Cluster beteiligten Forschungsinstituten zählen die DRESDEN-concept-Partner Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW), das Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) und das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) sowie das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE) aus Würzburg.

Weitere Informationen:  https://ctqmat.de/