Highlights der Physik

Für die Physiker:innen von ct.qmat ist der Donut mehr als ein Gebäckstück. Er dient als nobelpreisgekröntes Sinnbild für die Suche nach Quantenmaterialien, die bahnbrechende Möglichkeiten versprechen.

Quelle: Jörg Bandmann – PIXELWG
Majorana-Fermionen, Spin-Eis, Metamaterial … Woran arbeitet das Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat? Neugier, Ausprobieren, kreative Strukturen und coole Ergebnisse – Atom für Atom werden Materialien maßgeschneidert für neue Quantentechnologien. Warum das Cluster das Periodensystem der Elemente als Baukasten nutzt – und so die Basis für die Hightech des 21. Jahrhunderts schafft – verraten die Sprecher Prof. Ralph Claessen und Prof. Matthias Vojta. Das Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien untersucht in Hochleistungslaboren neue Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Gelingt es, diese besonderen Eigenschaften unter Alltagsbedingungen nutzbar zu machen, könnte das die Basis für revolutionäre Quantenchips und andere neuartige Anwendungen sein.
Beim Exzellenzcluster ct.qmat leitet Dr. Tobias Meng die Forschungsgruppe für Quantum Design. Hier taucht der junge Wissenschaftler in die faszinierende Welt der Elektronen ein, kombiniert die winzigen Teilchen neu. Gemeinsam mit einer weltweiten Forschercommunity entwirft er revolutionäre Materialien als Basis für wegweisende Quantentechnologien und die Hightech der Zukunft. Im Video gibt er Einblick in seinen Alltag und berichtet, was ihn antreibt, welche spannenden Möglichkeiten seine Forschung bietet – und was das alles mit Donuts zu tun hat.
Die Anzahl der Löcher zählt: Welches der Holzobjekte passt zu welchem dargestellten Gegenstand – ist also topologisch gesehen eine Kaffeekanne, eine Brezel, eine Tasse oder ein Teller? In der Topologie wird nur auf die Eigenschaften geometrischer Objekte geachtet, die bei Verformung gleich bleiben. Hier ist dies die Zahl der Löcher. Übrigens: Die Kaffeekanne hat tatsächlich nur zwei abgeschlossene Löcher, nämlich eines am Griff und eines zum Ein- und Ausgießen. Die Topologie ist ein Teilgebiet der Mathematik und hilft, das Innere von Quantenmaterialien zu erklären.
Lassen sich eine haarige Kugel oder ein pelziger Donut so kämmen, dass kein Wirbel entsteht und alle Haare ordentlich nebeneinanderliegen? Bei der Kugel gelingt das nicht: Mit Geschick bleibt auf der Kugeloberfläche nur ein Wirbel – aber ganz wirbelfrei wird sie nie. Der haarige Donut dagegen lässt sich so durchkämmen, dass überhaupt kein Wirbel auftaucht. Wie viele Wirbel es mindestens gibt, hängt allein von der Topologie des Objekts ab. Die Topologie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit globalen Eigenschaften geometrischer Gebilde befasst. Sie hilft, das Innere von Quantenmaterialien zu erklären.
Wie funktioniert die Klein‘sche Flasche? Die Animation erklärt dies aus Ameisensicht. Das nach dem Mathematiker Felix Klein benannte Objekt ist eine topologische Kuriosität – eine sogenannte „nicht orientierbare Fläche“. Denn die Klein’sche Flasche hat nur eine Seite. Also gibt es bei ihr kein „Innen“ und „Außen“ – im Gegensatz zur Oberfläche einer Kugel. Geht die Ameise auf der Klein’schen Flasche spazieren, kann sie jeden Punkt erreichen und nicht im Inneren gefangen werden. Die Orientierbarkeit einer Fläche ist eine topologische Eigenschaft. Die Topologie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich mit globalen Eigenschaften geometrischer Gebilde befasst. Sie hilft, das Innere von Quantenmaterialien zu erklären.

Hier findest du Infos zur Spitzen-Forschung in Würzburg zu Topologischen Isolatoren. Weitere spannende Exponate kannst du dir unter folgenden Links anschauen:

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