Findet die Nadel im Heuhaufen: Neuer Suchalgorithmus für magnetische Quantenmaterialien

Überblick

Mithilfe eines neuartigen Algorithmus lassen sich magnetische topologische Verbindungen jetzt automatisiert suchen. Die entwickelte Computermethode gilt als Meilenstein für die topologische Materialforschung und ebnet den Weg zu einer systematischen Identifikation derartiger Materialien, die bislang nur fallweise bestimmt werden konnten. Das Suchverfahren wurde von einem internationalen Forscherteam entwickelt, an dem die Quantenchemikerin Prof. Claudia Felser, Gründungsmitglied des Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien und Direktorin des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, beteiligt war. Mit dem nun verfügbaren Algorithmus entdeckten die Wissenschaftler:innen bereits mehr als 100 magnetische topologische Materialien, die gänzlich neue bahnbrechende Eigenschaften versprechen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
 
Stabile Bausteine für Quantentechnologien
Topologische Quantenmaterialien haben besonders stabile Eigenschaften und gelten daher als Schlüssel für die Hightech des 21. Jahrhunderts. Im Fokus standen bisher allerdings die nicht-magnetischen Werkstoffe. Dazu gehören beispielsweise topologische Isolatoren, die an ihrer Oberfläche Strom verlustfrei leiten können; sie wurden 2007 erstmals experimentell nachgewiesen. Mindestens 15.000 nicht-magnetische topologische Quantenmaterialien wurden bis heute identifiziert, mit inzwischen standardisierten Methoden.
 
Seit einigen Jahren rücken jedoch die magnetischen Quantenmaterialien in den Mittelpunkt, denen die Forscher:innen enormes Potenzial einräumen. Sie zu identifizieren ist aber deutlich schwieriger als nicht-magnetische Stoffe. Der neue Computeralgorithmus verkürzt diesen Zeitraum nun wesentlich. „Zuvor kannten wir nur etwa eine Handvoll magnetische Strukturen mit exotischen topologischen Eigenschaften. Mit unserem neuartigen Werkzeug konnten wir knapp 550 magnetische Strukturen in kurzer Zeit untersuchen, fanden darunter über 100 wertvolle magnetische topologische Isolatoren und Halbmetalle. Mit den Ergebnissen dieser Studie haben wir eine Online-Datenbank aufgebaut“, berichtet Prof. Felser. „In den nächsten Jahren ist ein explosionsartiges Wachstum an Neuentdeckungen in dieser Materialklasse zu erwarten.“
 
Fortschritt für die Forschung
Für Prof. Matthias Vojta, Dresdner Sprecher des Exzellenzclusters ct.qmat, bedeuten die Ergebnisse der Studie einen beachtlichen Fortschritt: „Bisher glich die Suche nach einem magnetischen topologischen Quantenmaterial der sprichwörtlichen Fahndung nach der Stecknadel im Heuhaufen. Jeder Strohhalm musste sozusagen einzeln angefasst werden. Mit der neuentwickelten Methode kann per Knopfdruck ein ganzer Katalog solcher potenziellen Werkstoffe untersucht und klassifiziert werden. Noch existieren sie zwar lediglich als computersimulierte, also theoretische Vorhersage. Ich bin mir indes sicher, dass Wissenschaflter:innen weltweit diese Materialien im Labor herstellen und detailliert untersuchen werden.“