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Supraleiter – Materialien, durch die Elektrizität völlig widerstandsfrei fließen kann – sind für viele Hochtechnologie-Anwendungen von zentraler Bedeutung, seien es Quantencomputer, Medizintechnik oder Hochleistungs-Energieanwendungen. Wissenschaftler aus Saarbrücken, Dortmund, Eindhoven und Toronto untersuchen nun in einem von der Klaus Tschira Stiftung geförderten Projekt 2,5 Jahre lang die physikalischen Grundlagen der Materialien, die nach wie vor nicht vollständig verstanden sind.
Angefangen hat alles 1911 mit der Entdeckung, dass bestimmte Metalle bei extrem tiefen Temperaturen, nahe des absoluten Nullpunkts von rund minus 273 Grad Celsius, Eigenschaften aufweisen, die sie oberhalb dieser Temperaturen nicht haben: Sie leiten Strom absolut widerstandsfrei. Materialien, die sich derart verhalten, werden seitdem Supraleiter genannt. 1986 entdeckten Physiker, dass es auch „Hochtemperatur-Supraleiter“ gibt, deren Sprungtemperatur deutlich höher liegt als in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Der Begriff „Hochtemperatur“ ist dabei mit Vorsicht zu genießen, üblicherweise handelt es sich hier nicht um angenehme 30 Grad plus am Badestrand. Viel mehr bedeutet es, dass diese Materialien den Strom schon bei minus 196 Grad Celsius widerstandsfrei leiten. Warum dies der Fall ist, weiß die Wissenschaft aber noch nicht genau.
Um die Prozesse in Supraleitern besser zu verstehen und perspektivisch Materialien zu entwickeln, die eine Anwendung bei weniger kalten Temperaturen möglich machen, braucht es mehr Grundlagenforschung. An dieser Stelle kommen Andreas Buchheit (Mathematiker; Universität des Saarlandes), Benedikt Fauseweh (Physiker; TU Dortmund), Torsten Keßler (Mathematiker; TU Eindhoven) und Kirill Serkh (Mathematiker; Universität Toronto) ins Spiel. Gemeinsam möchten die vier Principal Investigators (Arbeitsgruppenleiter) des von der Klaus Tschira Stiftung geförderten Projektes genauer verstehen, was im Inneren eines Hochtemperatur-Supraleiters vor sich geht, damit Strom widerstandsfrei durch ihn hindurchfließen kann.
„Supraleiter sind eine einzigartige Materialklasse, aber insbesondere Hochtemperatur-Supraleiter sind in vielen Aspekten noch nicht verstanden“, erläutert Benedikt Fauseweh, der mit seiner Gruppe theoretische Beschreibungen von Supraleitern entwickelt. „Unter anderem schauen wir uns so genannte topologisch nicht triviale Phasen an“, ergänzt Andreas Buchheit, der gemeinsam mit seinen Kollegen bereits einige Vorarbeiten auf diesem Gebiet geleistet hat (Vgl. https://idw-online.de/de/news822713, https://idw-online.de/de/news842032).
Die Forscher bewegen sich im Grenzbereich der bisher bekannten Physik, den sie mithilfe der Mathematik weiter ausdehnen wollen. „Wir tasten uns mathematisch Stück für Stück vor, um neue physikalische Mechanismen zu identifizieren, welche die kritische Temperatur von Supraleitern erhöhen können“, so Buchheit. Er umschreibt, was mit „topologisch nicht trivialen Phasen“ gemeint ist: „Vergleichbar sind solche Zustände mit einem Knoten, der in einen Faden gemacht wird. Wackele ich anschließend am Faden, bleibt der Knoten trotzdem erhalten und geht nicht auf, es sei denn, man zieht an der richtigen Stelle. Ebenso verhält es sich in solchen Materialien: ‚Wackele‘ ich an ihnen, störe also das System, bleiben sie bis zu einem gewissen Grad der Störung dennoch stabil“, so der Forscher.
Den Supraleiter so zu gestalten, dass er sich verhält wie der metaphorische Knoten und trotz äußerer Einflüsse relativ stabil bleibt, ist eine große Herausforderung. Denn die Qubits, also die Recheneinheiten, die den Bits in einem herkömmlichen Computer entsprechen, sind derart empfindlich, dass bereits eine winzigste Störung den Quantenzustand zerstört. Bislang sind Quantencomputer „launische Diven“, die sich jegliche Einmischung von außen verbitten. Topologische Supraleiter versprechen hier, die „Diven“ etwas milder zu stimmen.
In vorherigen Arbeiten haben die Forscher bereits gezeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Elektronen über lange Distanzen genau zu einem solchen Effekt führen können, die den Supraleiter stabilisieren. Diese Erkenntnisse sollen nun weiterentwickelt werden, um effiziente Simulationen von exotischen Supraleitern am Computer zu ermöglichen, welche mit bisherigen Methoden nicht erreichbar waren. Für dieses Ziel sind ausgefeilte mathematische Operationen nötig: „In Simulationen zeigen sich die physikalisch wünschenswerten ‚Knoten‘ als mathematische Singularitäten. Deren numerische Behandlung bedarf maßgeschneiderten Methoden und Algorithmen, die zuverlässig solche Zustände aufspüren und erhalten“, fügt Torsten Keßler hinzu. Er ist auf großskalige Rechnungen im Bereich von Quantensystemen spezialisiert und Mitgründer des Start-Ups „Simkinetic“, das zum Ziel hat, Design- und Entwicklungszyklen in der Hightech-Industrie mithilfe neuer Impulsen aus der Forschung signifikant zu beschleunigen. „Moderne Quantencomputer auf Basis von Supraleitern haben immer noch viele Nachteile, die auf Materialprobleme zurückgeführt werden können. Um diese Probleme zu beheben, brauchen wir ein fundamentales Verständnis von Supraleitern“, erläutert Benedikt Fauseweh, der die Chancen und Schwierigkeiten von Quantencomputern erforscht (https://idw-online.de/de/news830505).
Materialien, die Strom ohne jeglichen Widerstand passieren lassen, spielen im Quantencomputing eine entscheidende Rolle. Sie bilden die Grundlage für Qubits in modernen Quantencomputern. Wenn man nun wüsste, wie sich ein Material bei höheren Temperaturen – also weniger Kühlungsaufwand – gezielt zum Supraleiter machen ließe, wäre man stabileren Quantenzuständen einen guten Schritt nähergekommen. Um das Bild von Andreas Buchheit zu verwenden: Der Knoten im Faden wäre deutlich fester.
Über die Klaus Tschira Stiftung:
Vom Physiker und SAP-Mitgründer Klaus Tschira (1940–2015) gestiftet, fördert die Stiftung Naturwissenschaften, Mathematik und Informatik – mit den Schwerpunkten Forschung, Bildung und Wissenschaftskommunikation. Das bundesweite Engagement beginnt im Kindergarten und setzt sich in Schulen, Hochschulen und Forschungseinrichtungen fort. Die Klaus Tschira Stiftung setzt sich für den Dialog zwischen Wissenschaft und Gesellschaft ein.
Dr. Andreas Buchheit
Tel.: 0151 27246209
E-Mail: andreas.buchheit@uni-saarland.de, andreas.buchheit@sam.math.ethz.ch
Jun.-Prof. Dr. Benedikt Fauseweh
Tel.: 0231 7552057
E-Mail: benedikt.fauseweh@tu-dortmund.de
Dr. Torsten Keßler
E-Mail: t.kessler@tue.nl
Prof. Dr. Kirill Serkh
E-Mail: kserkh@math.toronto.edu
https://Klaus Tschira Stiftung.de/
Dr. Andreas Buchheit
Source: Thorsten Mohr
Copyright: Thorsten Mohr/UdS
Criteria of this press release:
Journalists
Information technology, Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
Cooperation agreements, Research projects
German
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