Neue Quantenmaterialien am Computer entworfen
Eine neues Designprinzip kann die Eigenschaften von bisher kaum erforschten Quantenmaterialien vorhersagen. Forscher von TU Wien und texanischer Rice University entdecken erstmals via Computer ein hochkorreliertes topologisches Halbmetall.
Wie können neuartige Materialien mit ganz bestimmten Eigenschaften gefunden werden – zum Beispiel einem speziellen Zusammenspiel von Elektronen, wie man es für Quantencomputer benötigt? Meist ist das eine sehr komplizierte Aufgabe über die Produktion bestimmter Verbindungen, in denen potenziell erfolgversprechende Atome in bestimmten Kristallstrukturen angeordnet sind. Dann folgt eine genauere Untersuchung, etwa im Tieftemperaturlabor der TU Wien.
Die Gesetze der Quantenphysik
Aktuell ist es nun durch eine Kooperation von Rice University (Texas), TU Wien und anderen internationalen Forschungsinstitutionen gelungen, geeignete Materialien am Computer aufzuspüren. Aus der unüberschaubar großen Anzahl von möglichen Materialien werden durch neue theoretische Methoden besonders vielversprechende Kandidaten identifiziert. Messungen an der TU Wien zeigten dann, dass die gesuchten Materialeigenschaften tatsächlich messbar sind und die Methode entsprechend funktioniert. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Physics“ publiziert.
Auf der Suche nach neuartigen Quantenmaterialien mit ganz besonderen Eigenschaften arbeiten die Rice University in Texas (US) und die TU Wien schon bisher erfolgreich zusammen. 2017 wurde von den beiden Forschungsgruppen dann erstmals ein sogenanntes „Weyl-Kondo Halbmetall“ präsentiert – ein Material, das unter anderem für die Forschung an Quantencomputer-Technologien eine wichtige Rolle spielen könnte. „Es kommt zu sehr starken Wechselwirkungen zwischen den Elektronen, sie überlagern sich nach den Gesetzen der Quantenphysik als Wellen, gleichzeitig stoßen sie einander durch ihre elektrische Ladung ab“, erklärt Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien.
Die gleichbleibenden Löcher in einem gequetschten Doughnut
Genau diese starke Wechselwirkung führt zu Anregungen der Elektronen, die wiederum nur mit sehr aufwändigen mathematischen Methoden beschrieben werden kann. In den nun aktuell untersuchten Materialien spielt außerdem die Topologie eine wichtige Rolle – sie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit geometrischen Eigenschaften befasst, die durch kontinuierliche Verformung nicht verändert werden. Dazu gehört etwa die Zahl der Löcher in einem Doughnut, die auch dann gleichbleibt, wenn das Doughnut leicht gequetscht wird. Auf ähnliche Weise können elektronische Zustände im Material stabil bleiben, auch wenn das Material leicht gestört wird und darum sind diese Zustände für praktische Anwendungen wie Quantencomputer so nützlich.
Das Verhalten aller stark miteinander wechselwirkenden Elektronen im Material exakt zu berechnen ist unmöglich – kein Supercomputer der Welt ist dazu imstande. Doch auf Basis der bisherigen Erkenntnisse gelang es nun, ein Designprinzip zu entwickeln, das auf Basis vereinfachter Modellrechnungen zusammen mit mathematischen Symmetrieüberlegungen und einer Datenbank aus bekannten Materialien Vorschläge liefert, in welchem dieser Materialien die theoretisch erwarteten topologischen Eigenschaften vorliegen könnten.
Die kluge Symmetrie des Systems
„Drei solche Kandidaten hat diese Methode geliefert, eines dieser Materialien haben wir dann hergestellt und in unserem Labor bei tiefen Temperaturen vermessen“, so Silke Bühler-Paschen. „Und tatsächlich deuten diese ersten Messungen darauf hin, dass es sich um ein hochkorreliertes topologisches Halbmetall handelt – das erste, das auf theoretischer Basis mit Hilfe eines Computers vorhergesagt wurde.“ Ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg war, die Symmetrien des Systems auf kluge Weise auszunutzen.
„Wir haben postuliert, dass stark korrelierte Anregungen immer noch gewissen Symmetrieanforderungen unterliegen. Deshalb kann ich viel über die Topologie eines Systems aussagen, ohne auf Ab-Initio-Berechnungen zurückgreifen zu müssen. Diese sind oft erforderlich, sind aber bei der Untersuchung stark korrelierter Materialien eine besondere Herausforderung“, ergänzt Qimiao Si von der Rice University. „Final weist nun alles darauf hin, dass wir ein robustes Verfahren gefunden haben, um Materialien zu identifizieren, die die Eigenschaften aufweisen, die wir haben möchten“, resümiert Si.