Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spitzenforschung in der Würzburger Festkörperphysik

22.05.2015

Die Entdeckung und Entwicklung neuer Materialien, die Erforschung der zugrundeliegenden Physik topologischer und korrelierter Elektronensysteme in Festkörpern und die Ausbildung junger Nachwuchswissenschaftler: Das sind die Hauptziele eines neuen Sonderforschungsbereichs an der Uni Würzburg.

Topological and Correlated Electronics at Surfaces and Interfaces oder kurz ToCoTronics: So heißt der neue Sonderforschungsbereich (SFB) an der Universität Würzburg, den die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) am 21. Mai genehmigt hat. Daran beteiligt sind 24 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Institutionen der Uni:


Wechselspiel zwischen Topologie (blauer Torus) und starker Korrelation (Elektronenspins, farbige Pfeile, auf einem Quadratgitter): Das sind die Zutaten für die faszinierende Physik von ToCoTronics.

Grafik: Jörg Schäfer


Molekularstrahlepitaxie am Physikalischen Institut: In solchen Anlagen werden neuartige, topologische Materialien von höchster Qualität hergestellt.

Foto: Felicitas Gerhard, Lehrstuhl für Experimentelle Physik III

• dem Physikalischen Institut (PI)
• dem Institut für Theoretische Physik und Astronomie (ITPA)
• dem Röntgen Center for Complex Material Systems (RCCM)
• dem Gottfried Landwehr Laboratory for Nanotechnology (GLLN).

Die Förderung für die ersten vier Jahre umfasst rund elf Millionen Euro, worin fast 30 Stellen für den wissenschaftlichen Nachwuchs enthalten sind. Sprecher des neuen SFBs sind die Professoren Ralph Claessen, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik IV, und Björn Trauzettel, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik IV.

Worum geht es?

Viele Hochtechnologien, wie beispielsweise Computer, Handy, Solarzellen oder Elektromobilität, beruhen auf dem physikalischen Verhalten von Elektronen. Dabei sind vor allem zwei Eigenschaften dieses Elementarteilchens wichtig: seine elektrische Ladung und sein Spin. Die Ladung macht sich bemerkbar, wenn sich Elektronen bewegen, also wenn elektrischer Strom fließt. Moderne Computerchips nutzen diese Eigenschaft, indem sie gezielt kleine elektrische Ströme kontrollieren, ähnlich wie Ampeln oder Verkehrspolizisten den Autoverkehr regeln. Der Spin dagegen bezeichnet die Eigenschaft der Elektronen, sich in einem magnetischen Feld wie kleine Kompassnadeln auszurichten. Darauf beruht beispielsweise die Funktion von magnetischen Festplatten in der Datenspeicherung.

Die physikalischen Regeln, nach denen sich Ladung und Spin in den Bauelementen heutiger Computertechnologie manipulieren lassen, sind gut bekannt und beherrscht. Um eine höhere Leistung zu erzielen, werden jedoch immer kleinere Bauelemente benötigt. Mit fortschreitender Miniaturisierung stoßen die etablierten Regeln aber zunehmend an Grenzen und werden durch quantenphysikalische Gesetzmäßigkeiten abgelöst. So verstärkt sich beispielsweise die gegenseitige Abstoßung der negativ geladenen Elektronen, was zu elektronischen Korrelationen und der Entstehung komplexer Phasen führt, die es in nicht wechselwirkenden Systemen gar nicht geben kann. Der Ferromagnetismus ist ein Paradebeispiel, das uns sogar im Alltagsleben häufig begegnet.

Ein weiteres Phänomen, das in der konventionellen Elektronik kaum eine Rolle spielt, ist die gegenseitige Beeinflussung von Spin und bewegter Ladung – ein Effekt, der sich aus Einsteins Relativitätstheorie ergibt und zu neuartigem Verhalten führt, das mit dem Begriff topologische Physik umschrieben wird. Der Name stammt daher, dass sich topologische Materialien durch das mathematische Konzept der Topologie klassifizieren lassen. Im Inneren solcher Materialien verhalten sie sich wie ganz gewöhnliche Festkörper, beispielsweise wie Isolatoren, aber an ihren Oberflächen passiert etwas Überraschendes: Ein topologischer Isolator wird dort plötzlich zu einem guten elektrischen Leiter.

Was sind die wissenschaftlichen Fragestellungen?

Nachdem derartige Effekte im Jahre 2005 zunächst theoretisch vorhergesagt wurden, gelang Professor Laurens Molenkamp vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg bereits 2007 der weltweit erste experimentelle Nachweis eines topologischen Isolators. Damit wurde eines der aktivsten internationalen Forschungsgebiete der modernen Festkörperphysik initiiert. Diese Entdeckung basiert auf einem außergewöhnlichen Halbleitermaterial, das aus den chemischen Elementen Quecksilber, Cadmium und Tellur besteht und nur in wenigen Laboren weltweit in der erforderlichen Qualität hergestellt werden kann.

Zu den wissenschaftlichen Zielen des Sonderforschungsbereichs "ToCoTronics" gehört sowohl die physikalische Untersuchung dieses speziellen Materials und seiner topologischen Eigenschaften als auch die gezielte Suche nach topologischer Physik in anderen Materialklassen oder Materialkombinationen. Die Würzburger Forscher interessieren sich hier insbesondere für die Verknüpfung von topologischer Physik mit elektronischen Korrelationseffekten, die völlig neuartige Phänomene erwarten lassen, wie etwa topologische Supraleitung oder ungewöhnliche Formen von Magnetismus.

Was sind mögliche Anwendungen?

Die genannten Phänomene – elektronische Korrelationen und topologische Physik und vor allem ihr Wechselspiel – sind bisher nur wenig verstanden, besitzen aber großes Anwendungspotential für neuartige und zukunftsweisende Technologien. Beispielsweise sind an den Grenzflächen topologischer Materialien die Ausbreitungsrichtung der Ladungsträger und der Spin stark aneinander gekoppelt. Daher verspricht man sich Anwendungen dieser Oberflächenzustände in der sogenannten Spintronik. Dort sollen elektronische Schaltprozesse durch magnetische Schaltprozesse (mithilfe des Spins) ersetzt werden. Dadurch würden logische Bauelemente weniger Energie verbrauchen, was eines der Hauptprobleme heutiger Technologien ist. Darüber hinaus eignen sich die Eigenschaften topologischer Materialien möglicherweise auch für die Verwirklichung von sogenannten Quantumcomputern, denen ein völlig neuartiges Konzept der Datenverarbeitung zugrunde liegt. Innerhalb des SFB 1170 möchten die beteiligten Wissenschaftler, auf mittel- bis langfristigen Zeitskalen, die physikalischen und technologischen Grundlagen für solche Anwendungen erarbeiten.

Was bedeutet der SFB für die Universität Würzburg?

Eine wissenschaftliche Herausforderung dieser Größenordnung erfordert die interdisziplinäre Zusammenarbeit vieler Experten aus verschiedensten Bereichen der experimentellen und theoretischen Festkörperphysik – und vor allem einen langen Atem. Das Konzept des Sonderforschungsbereichs mit seiner auf insgesamt zwölf Jahre angelegten DFG-Förderung ist daher wie geschaffen für einen solch aufwändigen Forschungsansatz.

Durch gezielte Neuberufungen der letzten Jahre sind in der Würzburger Festkörperphysik die Voraussetzungen für den neuen Sonderforschungsbereich geschaffen worden; bereits jetzt arbeiten Experimentalphysiker und Theoretiker Hand in Hand. Diese Kooperationen werden durch den neuen SFB entscheidend gestärkt und zielgerichtet strukturiert. Dabei spielt die Einbindung der technischen Infrastruktureinrichtungen von RCCM und GLLN eine wichtige Rolle. Last but not least ist die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses ein zentrales Anliegen des SFB, schließlich wird ein wesentlicher Teil des Forschungsprogramms von den beteiligten Doktorandinnen und Doktoranden getragen.

Kontakt

Prof. Dr. Ralph Claessen, T: (0931) 31-85732, claessen@physik.uni-wuerzburg.de
Prof. Dr. Björn Trauzettel, T: (0931) 31-83638, trauzettel@physik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics