Forscher der Rice University haben in Kooperation mit der Technischen Universität Wien (TU Wien) ein neues Design-Prinzip zur Vorhersage der Eigenschaften von bisher kaum erforschbaren Quantenmaterialien entworfen. So wurde erstmals mit dem Computer ein hochkorreliertes topologisches Halbmetall entdeckt. Details sind im Fachjournal "Nature Physics" nachzulesen.
Aus der unüberschaubar grossen Zahl möglicher Materialien werden durch neue theoretische Methoden besonders vielversprechende Kandidaten identifiziert. Messungen an der TU Wien haben gezeigt: Die gesuchten Materialeigenschaften sind tatsächlich messbar, die Methode funktioniert. Für die Forschung an Quantenmaterialien ist das ein wichtiger Schritt nach vorn.
Erstmals wurde ein "Weyl-Kondo Halbmetall" präsentiert - ein Material, das unter anderem für die Forschung an Quantencomputer-Technologien eine wichtige Rolle spielen könnte. "Die Elektronen in einem solchen Material kann man nicht einzeln beschreiben. 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", so TU-Wien-Forscherin Silke Bühler-Paschen.
Genau diese starke Wechselwirkung führt zu Anregungen der Elektronen, die man nur mit sehr aufwendigen mathematischen Methoden beschreiben kann. In den nun 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, wie etwa die Zahl der Löcher in einem Doughnut, die auch dann gleichbleibt, wenn das Doughnut leicht gequetscht wird.
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 Design-Prinzip 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.
"Drei solche Kandidaten hat diese Methode geliefert, eines dieser Materialien haben wir dann hergestellt und in unserem Labor bei tiefen Temperaturen vermessen. Und tatsächlich deuten diese ersten Messungen darauf hin, dass es sich um ein hochkorreliertes topologisches Halbmetall handelt - das erste, das auf theoretischer Basis mithilfe eines Computers vorhergesagt wurde", sagt Bühler-Paschen. Ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg sei gewesen, die Symmetrien des Systems auf kluge Weise auszunutzen.
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