Elektronische Korrelationen

Maßgeschneiderte Materialien für den technologischen Fortschritt.

hochreiner kristalliner Materialien im Zonenschmelzverfahren bei einer Temperatur von 2000 °C
Die Herstellung hochreiner kristalliner Materialien – wie hier im Zonenschmelzverfahren bei einer Temperatur von 2000 °C – ist für die Grundlagenforschung und die Entwicklung technologisch relevanter Substanzen von enormer Bedeutung. © Bernd Müller, Augsburg

In üblichen Metallen und Halb­leitern können sich die Elektronen nahe­zu un­ab­hängig von­einander bewegen. Ihr Verhalten lässt sich mit Standard­methoden beschreiben. Innovative Methoden hingegen sind gefragt, wenn neue Materialien und Zustände erforscht werden sollen, in denen sich die Elektronen korreliert, also in Abhängig­keit von­einander, bewegen.

Die Entwicklung solcher Methoden ist Voraus­setzung für die Erforschung der physikalischen Grund­lagen „exotischer“ Material­zustände. Nicht minder wichtig sind sie aber auch für potenzielle Anwendungen, die den techno­logischen Fort­schritt entscheidend befördern können. Denn korreliertes Elektronen­ver­halten kann je nach Beeinflussung einem Material zu ganz neuen Eigen­schaften verhelfen, wie magnetischen, supra­leitenden oder Metall-Isolator-Übergängen.

An der Universität Augsburg ist dieses zukunfts­weisende Gebiet der Fest­körper­physik seit über zwanzig Jahren am „Zentrum für Elektro­nische Korrelationen und Magnetismus“ etabliert. Seit 1999 fördert und honoriert die Deutsche Forschungs­gemein­schaft Qualität und Umfang dieser Augsburger Forschungen mit Sonder­forschungs­bereichen. Der zweite dieser SFBs, der TRR 80 „Von elektronischen Korrelationen zur Funktionalität“, ist kürzlich in seine dritte Förder­phase gestartet. „Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der TU München, des Max-Planck-Instituts für Fest­körper­forschung in Stuttgart, der Universität Duisburg-Essen sowie des Walther-Meißner-Instituts der Bayerischen Akademie der Wissen­schaften werden wir uns in den kommenden vier Jahren auf die Unter­suchung topologisch geschützter Materialien konzentrieren“, erläutert TRR 80-Sprecher Prof. Dr. Philipp Gegen­wart.

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Als topologisch geschützt bezeichnet man Materialien, die besondere Anregungen mit dem Charakter neuer elementarer Teilchen oder auch neu­artige Ober­flächen- und Rand­zu­stände auf­weisen. Zu ihnen zählen spezielle Wirbel­strukturen in Magneten oder auch Grenz­flächen zwischen speziellen Isolatoren, an denen u. a. zwei­dimensionale Supra­leitung oder verstärkte Thermo­elektrizität zu beobachten sind.

Die Erkenntnisse, die erwartet werden, sollen in die Entwicklung kommender Generationen elektronischer Bau­elemente einf ließen. „Von uns bereits entdeckte und unter­suchte Wirbel­strukturen in Magneten“, so Gegenwart, „verfügen über ein großes Anwendungs­potenzial für schnellere und effizientere Daten­speicher. Neue Grenz­flächen­effekte, denen wir auf die Spur gekommen sind, können im Bereich der Energie­speicherung und -umwandlung zu einer signifikanten Verbesserung der kapazitiven und thermo­elektrischen Eigen­schaften führen. Nicht zuletzt arbeiten wir auch an speziellen magnetischen Materialien, deren neu­artige topo­logische Anregungen eine wichtige Rolle bei der Realisierung von Quanten­computern spielen könnten.“

Vom SFB 484 zum TRR 80

Seit der 1996 erfolgten Gründung des „Zentrums für Elektro­nische Korre­lationen und Magnetismus“ (EKM) an ihrem Physik-Institut spielt die Universität Augs­burg auf diesem Forschungs­gebiet inter­national in der ersten Liga. Dokumentiert wurde dies bereits 1999, als die Deutsche Forschungs­gemein­schaft der Universität Augsburg den Sonder­forschungs­bereich „Kooperative Phänomene im Fest­körper“ (SFB 484) bewilligte und ihn über elf Jahre hin­weg mit maximaler Förderung bedachte. Die beein­druckenden inter­national sicht­baren Forschungs­erfolge des SFB 484 waren dann mit dafür aus­schlag­gebend, dass die DFG einen Folge­antrag genehmigte: 2010 wurde der SFB/Transregio TRR 80 „Von elektro­nischen Korre­lationen zur Funktionalität“ errichtet, der sich nach bereits zwei­maliger Verlängerung in seiner dritten Förder­phase in den kommenden vier Jahren jetzt primär topo­logisch geschützten Materialien widmet.

Dieser Artikel ist in „Wie wird geforscht in Bayern“, eine Sonderveröffentlichung, am 8.3.18 in DIE ZEIT erschienen.

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