Quantenmaterialien für die Welt von morgen Quantum materials for tomorrow’s world Zwischenbericht 2022 Exzellenzcluster ct.qmat Mid-Term Report 2022 Cluster of Excellence ct.qmat
2 Mission 4 Einblicke Insights 1 Schlaglichter Spotlights 12 Area A Topologische Elektronen Topological Electrons 20 Area B Quantenmagnetismus Quantum Magnetism 28 Area C Topologische Photonik Topological Photonics 36 Area D Topologische Funktionalität Tailoring Topological Functionality 2 Köpfe Heads 45 Alexey Chernikov 47 Elena Hassinger 49 Sebastian Klembt 51 Adriana Pálffy-Buß Inhalt Contents
3 Preise Awards 54 Claudia Felser 55 Karl Leo 56 Tobias Meng 57 Laurens W. Molenkamp 58 Ronny Thomale 4 Eine neue Wissenschaftsgeneration Early career scientists 60 Quantum Matter Academy & Hallwachs-Röntgen-Postdoc-Programm Quantum Matter Academy & Hallwachs-Röntgen Postdoc Program 5 Tolle Frauen Great women 64 Grete-Hermann-Netzwerk Grete Hermann Network 6 FAIRes Prinzip FAIR principle 68 Forschungsdatenmanagement Research data management 7 Reichweite Outreach 73 Katze Q – Ein Quanten-Adventure Kitty Q – A Quantum Adventure 76 QUANTube Kurze Pause Wissenschaft QUANTube Science Break 79 Ausstellungen Exhibitions 8 Anhang Appendix 83 Ausblick Outlook 85 Ausgewählte Publikationen Selected publications 87 Personen People 89 Impressum
2 ct.qmat Das bundeslandübergreifende Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter erforscht und entwickelt neuartige topologische Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften und untersucht deren Nutzung unter Alltagsbedingungen. ct.qmat entwirft damit Grundlagen für die Technologien der Zukunft und etabliert fundamental neue Materialkonzepte, die weit über das Siliziumzeitalter hinausreichen. The Cluster of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter – explores and develops new types of topological quantum materials with specially tailored properties, and also studies their use under everyday conditions. ct.qmat is thus forging the foundations for tomorrow’s technologies and establishing fundamentally new materials concepts going far beyond the Silicon Age. Mission
ct.qmat 3 ct.qmat ist an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg sowie der Technischen Universität (TU) Dresden angesiedelt und vernetzt herausragende Forschungsinstitutionen aus Dresden, Würzburg und weltweit auf eine nachhaltige Weise. ct.qmat bringt führende Köpfe der Physik der kondensierten Materie, Photonik, Materialwissenschaften, Chemie und Nanowissenschaften zusammen. ct.qmat fördert wissenschaftliche Talente und ein breites gesellschaftliches Verständnis für Quantentechnologien. Das Exzellenzcluster liefert kreative Impulse für eine nachwachsende Generation von Forschenden rund um den Globus. ct.qmat is based at two universities in Germany – Julius- Maximilians-Universität (JMU) Würzburg and Technische Universität (TU) Dresden – and connects research institutions from Dresden, Würzburg, and elsewhere in the world. ct.qmat brings together leading minds in condensed matter physics, photonics, materials science, chemistry and nanoscience. ct.qmat nurtures both scientific talent and a broad public understanding of quantum technologies. It’s a source of creative stimulus for a rising generation of researchers around the world.
Länder Countries 38 4 ct.qmat Einblicke Insights Seit 2019 wird das Exzellenzcluster ct.qmat durch die Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes von 57 Exzellenzclustern in Deutschland. Ralph Claessen und Matthias Vojta, die beiden ct.qmat-Sprecher aus Würzburg und Dresden, erläutern anlässlich der Halbzeit der ersten Förderperiode, wie sich das Exzellencluster in der Forschungslandschaft positioniert und auf welche Highlights es verweisen kann. Since 2019, ct.qmat has been funded through the German Excellence Strategy of the Federal and State Governments. Of the 57 Clusters of Excellence in Germany, ct.qmat is the only one to be located in two different federal states simultaneously. Marking the halfway point in the first funding period, Ralph Claessen and Matthias Vojta, the two spokespersons from Würzburg and Dresden, explain how ct.qmat has positioned itself in the research landscape, and list the highlights accomplished so far.
Jahre Laufzeit Years of funding 7 Forschungsbereiche Research areas 4 ct.qmat 5 Die hohe gesellschaftliche Bedeutung der Quantenwissenschaften wurde zum einen durch das Konjunktur- und Zukunftspaket der Bundesregierung 2020 unterstrichen, das eine Förderung von zwei Milliarden Euro für Quantentechnologien auflegte. Zum anderen bewies der Nobelpreis 2022 für bahnbrechende Arbeiten zur Quantenphysik die Relevanz dieses Forschungsbereichs. Welche Themen stehen bei ct.qmat ganz oben auf der Agenda? The high relevance of quantum science to society at large was underlined by the German government’s 2020 economic stimulus and future package – which provided funding of €2 billion for quantum technologies – and the award of the 2022 Nobel Prize for groundbreaking work on quantum physics. What topics are at the top of the agenda at ct.qmat? ct.qmat: Mehr als die Summe seiner Teile ct.qmat: More than the sum of its parts Claessen: Komplexität und Topologie stehen bei uns im Fokus und sind ebenfalls aktuelle Leitthemen in der modernen Physik der kondensierten Materie, die neue Blickwinkel ermöglichen und damit auch die Entwicklung völlig neuer Funktionalitäten von Quantenmaterialien eröffnet haben. Unser Konzept ist für sehr unterschiedliche Teilbereiche der Festkörperphysik wie Elektronik & Quantentransport, Quantenmagnetismus sowie Photonik von Relevanz, Claessen: We concentrate on complexity and topology, which are currently key topics in modern condensed matter physics. They open up new perspectives and pave the way for the development of totally new functionalities of quantum materials. Our concept is relevant for very different aspects of solid- state physics such as electronics and quantum transport, quantum magnetism, and photonics – and this is reflected in our areas
Publikationen 2019 – 2022 Publications in 2019 – 2022 ≈500 Physikalisches Institut, JMU Würzburg Ralph Claessen 6 ct.qmat was sich in unseren Forschungsbereichen widerspiegelt. Komplexität und Topologie sind hier verbindende Elemente – mit faszinierendem Potenzial für gegenseitige Synergie. Erfolgreich führt ct.qmat zwei der führenden Universitätsstandorte auf diesem Sektor sowie fünf externe Partner zusammen, darunter zwei MaxPlanck-Institute, ein Leibniz-Institut und ein Helmholtz-Zentrum. So ist es gelungen, deren komplementäre Kompetenzen trotz der geografischen Entfernung und verschiedener Rahmenbedingungen zu einem funktionierenden Netzwerk zusammenzuschweißen, das gemeinsam mehr ist als die Summe seiner Teile. Vojta: Und die Zusammenarbeit bei ct.qmat macht richtig Spaß! Durch die neuen Kooperationen mit Kolleg:innen vom jeweils anderen Standort, den neuen Input und den inspirierenden Spirit im Team erreichen wir viel mehr! Wir befinden uns gerade in einem goldenen Zeitalter der topologischen Physik. Die Community hat in den letzten 20 Jahren grundlegende Einsichten gewonnen, beispielsweise in die Topologie (S. 16) als ein neues Organisationsprinzip von Materiezuständen. Das wird unserer gemeinsamen Forschung jetzt und mindestens in den kommenden 20 Jahren unzählige neuartige und spannende Phänomene bescheren. Außerdem wird die Physik insgesamt interdisziplinärer und es werden zahlreiche Brücken zwischen den verschiedenen Teilgebieten unseres Fachs gebaut – auch das steht im Zentrum von ct.qmat. Welche Highlights kennzeichnen die bisherige Arbeit des Exzellenzclusters? Claessen: Zu den Höhepunkten zählt die Entwicklung neuer topologischer Materialien wie Mangan-Bismut-Tellurid (S. 12) oder Heusler-Verbindungen (S. 39), wobei Würzburg und Dresden eng kooperieren. Zukunftsweisend sind die Forschungen im Cluster zu Supraleitung (S. 47) und topologischen Isolatoren (S. 57). Wir sind also auf dem Weg zur Majorana-Physik in Quantenmaterialien (S. 22). Weitere Highlights sind die Arbeiten zu topologischen elektrischen – „topolektrischen“ – Schaltkreisen (S. 58), atomaren Monolagen als topologische Isolatoren, die Realisierung und Abbildung topologisch-magnetischer Nanostrukturen sowie die Fortschritte bei topologischen Lasern (S. 28).
Wissenschaftler:innen Scientists ≈400 Institut für Theoretische Physik, TU Dresden Matthias Vojta ct.qmat 7 of research. Complexity and topology are unifying elements here with fascinating synergistic potential. ct.qmat successfully brings together two of the leading university departments in this sector as well as five external partners, including two Max Planck Institutes, a Leibniz Institute, and a Helmholtz Center. Despite the geographical distance and the different research structures, their complementary expertise has been welded into a functioning network that’s more than the sum of its parts. Vojta: What’s more, working together at ct.qmat is really fun! We achieve far more thanks to the new collaborations with colleagues from different locations, the new input we get, and the inspirational team spirit. We’re currently living in a golden age of topological physics. Over the past two decades, the research community has gained fundamental insights into, for example, topology (p. 16) as a new organizing principle of states of matter. This will uncover untold novel, exciting phenomena into our joint research both now and for at least the next twenty years. In addition, physics as a whole is becoming more interdisciplinary, and many bridges are being built between the various branches of our field. This is also something we focus on at ct.qmat. What are the highlights of ct.qmat’s work to date? Claessen: One of our highlights achieved through close cooperation between Würzburg and Dresden is the development of new topological materials such as manganese bismuth telluride (p. 12) and Heusler compounds (p. 39). Research at ct.qmat on superconductivity (p. 47) and topological insulators (p. 57) is pioneering – and we’re well on the way to Majorana physics in quantum materials (p. 22). Other highlights include our work on “topolectrical” (topological electrical) circuits (p. 58), atomic monolayers as topological insulators, the creation and imaging of topological magnetic nanostructures, and our progress on topological lasers (p. 28). Vojta: We’ve also gained new insights into many-particle dynamics, found new types of quantum phase transitions and new families of materials for quantum spin liquids (p. 20), and discovered new types of topological semimetals displaying novel phenomena.
Mio. € Gesamtbudget million € total budget Mio. € Programm- und Universitä tspauschalen million € in program and university funding 42 +10 8 ct.qmat Has the cluster achieved its goals so far? And how has it performed with regard to the research landscape? Claessen: As our discoveries show, we’re playing in the top league. We’ve grown together in many areas and have a broad material base with state-of-the-art synthesis and epitaxy processes on a scale that’s virtually unrivaled worldwide. But outside our core scientific activities, we’re very successful and Vojta: Gemeinsam haben wir zudem neue Einsichten in die Vielteilchendynamik gewonnen, neue Typen von Quantenphasenübergängen und neue Materialfamilien für Spinflüssigkeiten (S. 20) gefunden sowie neue Typen von topologischen Semimetallen entdeckt, die neue Phänomene zeigen. Hat das Cluster seine Ziele bisher erfüllt und wie hat es sich im Hinblick auf die Forschungslandschaft entwickelt? Claessen: Wir spielen in der Topliga, das beweisen unsere Entdeckungen. Wir sind in vielen Bereichen zusammengewachsen und können eine breite Materialbasis mit State-of-the-Art-Synthese- und Epitaxieverfahren bereitstellen. In diesem Umfang sind wir weltweit nahezu konkurrenzlos. Doch auch außerhalb unserer wissenschaftlichen Kernarbeit sind wir sehr erfolgreich und sichtbar, denn wir möchten einer breiten Öffentlichkeit vermitteln, wie spannend unsere Forschung ist – für uns eine Herzensangelegenheit (S. 72). Vojta: Wir haben es geschafft, Würzburg und Dresden als DIE deutschen Standorte für topologische Materialphysik zu etablieren und mit unserer Konferenz CT.QMAT22 die internationale Strahlkraft zu verstärken. Unsere Quantum Matter Academy für Promovierende gibt den Karrieren des Forschungsnachwuchses Schubkraft und sorgt mit regelmäßigen Klausurtagungen für lebhaften Austausch und den Blick über den Tellerrand (S. 60). Durch das Format der assoziierten Mitgliedschaft binden wir Nachwuchswissenschaftler:innen und -gruppenleiter:innen auf Augenhöhe mit den Principal Investigators ein. Zu unseren Zielen gehört die Erhöhung des Frauenanteils in der Physik und speziell der Quantenphysik (S. 64). Zwei der vier bisher besetzten ClusterProfessuren haben Frauen inne (S. 47, 51) – ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg. prominent, too, for we’re passionate about conveying to the general public how thrilling our research is (p. 72). Vojta: We’ve established Würzburg and Dresden as the leading German centers for topological materials physics. Moreover, our international reputation was reinforced by the CT.QMAT22 conference. Our Quantum Matter Academy for PhD students gives a boost to the careers of early career researchers and, with regular workshops, ensures lively dialogue and a broader outlook (p. 60). By dint of our associate membership format, junior scientists and group leaders work on equal terms with Principal Investigators. One of our goals is to increase the number of females in physics, especially in quantum physics (p. 64). It’s a real milestone that two of the four cluster professors appointed so far at ct.qmat are women (p. 47, 51).
CT.QMAT22 ct.qmat 9 Mehr als zwei Jahre beeinflusste die Corona-Pandemie auch die wissenschaftliche Kooperation, verlagerte viele Treffen ins Internet und veränderte so die Zusammenarbeit. Trotz Social-Distancing-Maßnahmen und Reisebeschränkungen konnte ct.qmat seine Forschungsvorhaben erfolgreich realisieren. Nach zahlreichen virtuellen Meetings freute sich die Wissenschaftscommunity dann umso mehr über das persönliche Wiedersehen und den fachlichen Austausch in Präsenz. Ein Höhepunkt For more than two years, the pandemic also affected scientific cooperation, forcing meetings to be held online and changing the nature of collaborations. Nevertheless, ct.qmat advanced its research projects successfully despite social distancing, lockdown, and travel restrictions. Following copious virtual meetings, the scientific community was delighted when face-to-face gatherings and scientific dialogue finally became possible again. One highlight in this regard was the CT.QMAT22 conference, which took place in Würzburg from July 25 to 29, 2022. It was attended by 235 participants from 17 countries, including Australia, Austria, Canada, Chile, the Czech Republic, Denmark, Finland, France, Japan, the Netherlands, Singapore, Switzerland, and the USA. The program included 50 talks and 90 poster presentations. Internationale Ausstrahlung International impact war die Konferenz CT.QMAT22, die vom 25. bis 29. Juli 2022 in Würzburg stattfand. Die Tagung zog 235 Teilnehmer:innen aus 17 Ländern an, unter anderem aus Australien, Chile, Dänemark, Finnland, Frankreich, Japan, Kanada, den Niederlanden, Österreich, der Schweiz, Singapur, der Tschechischen Republik und den USA. 50 Vorträge standen auf dem Programm, zudem fanden 90 Posterpräsentationen statt.
HYDRO A- ODER PARAFERMIONEN ION-ELEKTRODYNAMIK R TRANSPORT TOPOLOGISCHE HYB RELATIONEN SP EME N NEUARTIGE TOPOLOGISCHE MATERIALIEN ELEKTRONISCHE KORRELATIONEN SPIN-BAHN-K HYBRIDE SYSTEME NOVEL TOPOLOGICAL MATERIALS ELECTRONIC CORRELATIONS SPIN-ORBIT COUPLING HYBRID SYSTEMS MAJORANA OR PARAFERMIONS AXION ELECTRODYNAMICS HYDRODYNAMIC TRANSPORT TOPOLOGICAL SUPERCONDU NEUARTIGE TOPOLOGISCHE MATERIALIEN ELEKTRONISCHE KORRELATIONEN SPIN-BAHN-KOPPLUNG HYBRIDE SYSTEME MAJORANA- ODER PARAFERMIONEN AXION-ELEKTRODYNAMIK HYDRODYNAMISCHER TRANSPORT TOPOLOGISCHE SUPRALEITUNG 10 ct.qmat AREA A B C D 1 Schlaglichter Spotlights
MAJORANA OR PARAFERMI AXION ELECTRODYNAM ODYNAMIC TRANSPOR TO SUPRALEITUNG ELECTRONIC BRID SYST NEUARTIGE TO PIN-BAHN MA NOVEL TOPOLOGICAL MATERIALS ELECTRONIC CORRELATIONS SPIN-ORBIT COUPLING HYBRID SYSTEMS KOPPLUNG UCTIVITY ct.qmat 11
AREA A B C D 12 ct.qmat Topologische Elektronen Topological Electrons Im Zentrum steht die Entwicklung neuartiger Quantenmaterialien mit topologischen Eigenschaften der elektronischen Bandstruktur. Ziel ist, diese unter Alltagsbedingungen nutzbar zu machen. Ein Forschungsfeld sind topologische Isolatoren. The overall aim is to develop novel quantum materials that have an electronic band structure with topological properties, so that they can eventually be harnessed for use in everyday conditions. One field of research is topological insulators. #Mangan-Bismut-Tellurid: Made in Dresden, optimiert in Würzburg, ist dieser maßgeschneiderte Kristall der Vorbote einer Materialrevolution, die das Ende des Siliziumzeitalters in der Informationstechnologie einläuten und verlustarmen Quantenchips den Weg bereiten soll. #Manganese bismuth telluride: Made in Dresden, optimized in Würzburg. This bespoke crystal is the harbinger of a materials revolution that’s expected to herald the end of the Silicon Age in information technology and pave the way for low-loss quantum chips. Kristallines Mangan-Bismut-Tellurid – eine Materialrevolution in der Quantenwelt. Crystalline manganese bismuth telluride – a materials revolution in the quantum world.
ct.qmat 13 Die Geburt eines Quantenmaterials A quantum material is born Atom für Atom: MnBi2Te4 heißt die Zauberformel, die 2019 in Dresden das Licht der Welt erblickte. Wissenschaftler:innen des Exzellenzclusters ct.qmat entwickelten ein Quantenmaterial namens Mangan-Bismut-Tellurid und stellten es erstmals im Labor her. Der maßgeschneiderte Kristall ist ein magnetischer topologischer Isolator. Er bringt sein Magnetfeld selber mit und besitzt daher anwendungsrelevante Eigenschaften, die andere Materialien erst in starken äußeren Magnetfeldern zeigen. Mit Mangan-Bismut-Tellurid, kurz MnBi2Te4, haben sich die Chancen für neuartige elektronische Bauelemente erweitert, die Informationen magnetisch kodieren und transportieren. Spintronik nennt sich dieser Ansatz und soll die Informationstechnologie künftig energiesparender sowie schneller machen. Seither arbeiten internationale Forschungsteams an unterschiedlichen Facetten dieses Materials. Vor allem bei ct.qmat ist man durch die Synergie zwischen dem experimentellen und theoretischen Knowhow von Würzburg und Dresden einen großen Schritt weitergekommen. Atom for atom: MnBi2Te4 is a magic formula that first saw the light of day in Dresden in 2019. Manganese bismuth telluride is a quantum material that was first produced in the laboratory by scientists from ct.qmat. This specially tailored crystal is a magnetic topological insulator. It has its own magnetic field, giving it properties suitable for important applications that other materials only exhibit in strong external magnetic fields. The advent of MnBi2Te4 is an important step towards developing novel electronic components that can encode and transport information magnetically. Known as spintronics, this branch of physics is expected to one day make information processing faster and more energy-efficient. International research teams are now studying various aspects of MnBi2Te4. This major breakthrough at ct.qmat was enabled by the synergy between experimental and theoretical expertise in Würzburg and Dresden. i Bandstruktur Band structure ... bezeichnet die Verteilung der Elektronen auf die Energiezustände in einem Material. Man spricht von Valenz- und Leitungsbändern. Dies bestimmt, wie sich die Elektronen in verschiedenen Materialien bewegen können. So sind die Elektronen bei Isolatoren an ihre Atome gebunden und können daher keinen elektrischen Strom tragen – im Gegensatz zu elektrisch leitfähigen Metallen, wo die Elektronen im Leitungsband frei durch das Material fließen können. In topologischen Isolatoren sind die Energiebänder anders sortiert, was an ihren Oberflächen kurioserweise zu einer nahezu perfekten Leitfähigkeit führt. ... describes the distribution of electrons among the energy states in a material. There are valence bands and conduction bands. The band structure determines how electrons can move in different materials. For example, in insulators, electrons are bound to their atoms and so can’t carry an electric current. By contrast, in electrically conductive metals, electrons in the conduction band can flow freely through the material. In topological insulators, the energy bands are sorted differently, which curiously leads to almost perfect conductivity on their surfaces.
Epitaktische Schicht Epitaxial layer Substrat Substrate Molekularstrahl Molecular beam 14 ct.qmat AREA A B C D Die in Dresden im Laborofen gezüchteten Kristalle wurden in Würzburg mittels Photoelektronenspektroskopie analysiert. Dabei zeigte sich: Nur ganz bestimmte Oberflächen des Materials mit spezieller atomarer Zusammensetzung entfalten außergewöhnliche Effekte wie das Potenzial zur nahezu verlustfreien Stromleitung. „Deshalb gehen wir von gewachsenen, dreidimensionalen Einkristallen zu atomgenauen Crystals of MnBi2Te4 were grown in a laboratory furnace in Dresden, and then analyzed in Würzburg using photoelectron spectroscopy. This revealed that extraordinary effects such as the potential for almost lossless current conduction are only exhibited by specific surfaces of the material with particular atomic content. “That’s why we’re switching from growing three-dimensional single crystals to two-dimensional zweidimensionalen Schichten über“, erklärt Hendrik Bentmann von der JMU Würzburg. Die Herausforderung: „Die Oberfläche soll von sehr hoher Qualität, der Atomfilm aber so superdünn wie möglich sein. Wir schaffen es bis auf einen Nanometer – das entspricht einem Millionstel Millimeter.“ Das dafür angewendete Verfahren heißt layers whose thickness is a matter of atoms,” explains Hendrik Bentmann from the JMU Würzburg. Apart from ensuring the surface is of very high quality, the main challenge is to create an atomic film that’s as thin as possible: “We’ve managed to get it down to one nanometer – that’s a millionth of a millimeter.” The process employed Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE): Im Ultrahochvakuum werden die Ausgangsstoffe über Verdampferöfen in dünnen Schichten auf ein Trägermaterial aufgebracht und wachsen nahezu frei von Verunreinigungen – Atomlage für Atomlage. Maximal 30 Minuten dauert das Herstellen einer 0,5 x 0,5 cm kleinen 2D-Probe. is called molecular-beam epitaxy. Working in an ultra-high vacuum, the starting materials are deposited in thin layers on a base material using evaporation furnaces. The crystals grow atomic layer by atomic layer with almost no impurities. It takes no longer than 20 minutes to produce a small 2D sample about 25 square millimeters in size. Atomlage für Atomlage wird bei der Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) aufgebracht. Eine der größten MBE-Anlagen für neue Quantenmaterialien steht in Würzburg. Molecular-beam epitaxy is a fabrication method in which atomic layers are deposited one at a time. One of the biggest MBE systems used for new quantum materials is in Würzburg. Die Oberfläche entscheidet What counts is the surface
ct.qmat 15 Erst in den Atom für Atom hergestellten zweidimensionalen Schichten offenbaren sich die interessanten Erscheinungen, die in unserem neuen Material stecken, darunter die quantisierte Leitfähigkeit der Ränder. Durch Variation der ultradünnen Atomschicht – ein, zwei, drei ... Nanometer – steuern wir die Eigenschaften des topologischen Isolators gezielter. Zudem beobachten wir, wie sich durch Wechselwirkungen mit anderen Stoffen das Verhalten an den Grenzflächen modifizieren lässt. ” Weiterentwicklung gelungen: Mit MnBi4Te7 und MnBi6Te10 konnten zwei neue magnetische topologische Isolatoren mit abgewandelten Materialstrukturen identifiziert und exakt hergestellt werden. An diesem Erfolg beteiligt sind neben der Würzburger Mannschaft um Bentmann sowie Forschenden der TU Dresden und vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden ebenfalls Arbeitsgruppen aus dem Forschungszentrum Jülich und der Hiroshima University (Japan). Successful new developments: MnBi4Te7 and MnBi6Te10 are two new magnetic topological insulators with modified material structures that have been identified and precisely fabricated. Alongside Bentmann’s team in Würzburg and researchers from TU Dresden and the Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, this feat also involved groups from the Forschungszentrum Jülich and Hiroshima University in Japan. Physikalisches Institut, JMU Würzburg Hendrik Bentmann It’s only in the two-dimensional layers produced atom by atom that the interesting phenomena inherent in our new material are revealed, including the quantized conductivity of the edges. By varying the thickness of the ultrathin atomic layer (one, two, three or more nanometers), we can control the properties of the topological insulator more exactly. We’re also observing how the behavior on the surfaces can be modified by interactions with other materials.”
i 16 ct.qmat AREA A B C D In Dresden wurden die faszinierenden Eigenschaften des Materials entdeckt. Gemeinsam arbeiten wir nun daran, die perfekte Rezeptur zu finden“, sagt der Würzburger Doktorand Philipp Kagerer (rechts). „Bis zur konkreten Anwendung in Bauelementen dauert es aber noch!“ An dem Meilenstein im Materialdesign war auch Kagerers Forscherkollege Celso I. Fornari entscheidend beteiligt. „Unsere Zusammenarbeit bedeutete, dass die Dresdner Expert:innen ihr Wissen über Mangan-BismutTellurid in Form von Volumenkristallen mit meinen Kolleg:innen und mir teilten. Mithilfe meines Topologie Topology ... ist ein Teilgebiet der Mathematik, das seit zwei Jahrzehnten die Physik erobert. Diese symbiotische Verknüpfung eröffnet eine neue Perspektive auf quantenphysikalische Erscheinungen und wurde 2016 mit einem Nobelpreis gewürdigt. Die Topologie befasst sich mit Eigenschaften geometrischer Objekte, die bei kontinuierlicher Verformung erhalten bleiben. Ein Konzept, das sich auch auf elektronische Zustände in Quantenmaterialien ausdehnen lässt. Das soll beispielsweise in Zukunft helfen, die Informationen in Quantencomputern stabil zu speichern. ... is a branch of mathematics that’s been making great strides in physics for two decades. This symbiotic combination has opened up new angles on various phenomena in quantum physics and was recognized with a Nobel Prize in 2016. Topology deals with properties of geometric objects that are preserved under continuous deformations. It’s a concept that can be extended to electronic states in quantum materials, where its expected benefits include the stable storage of information in quantum computers. Hintergrundwissens in der Dünnfilmtechnologie haben wir deren Forschung dann auf die nächste Stufe gebracht, indem wir MnBi2Te4-Filme produzierten, die so dünn sind wie eine einzelne Lage des Materials“, so Fornari, der als erster Postdoc im Hallwachs-Röntgen-Postdoc-Programm (S. 62) gefördert wurde.
i i ct.qmat 17 The material’s fascinating properties were discovered in Dresden. We’re now working together to find the perfect formula,” explains Würzburg doctoral student Philipp Kagerer (right). “Mind you, it’ll take a while yet to translate the results into electronic components.” Kagerer’s research colleague Celso I. Fornari was also instrumental in achieving this milestone in materials design. “Our collaboration meant the Dresden experts shared their knowledge of manganese bismuth telluride in bulk crystal form with my colleagues and me. Contributing my background in thinfilm technology, we then took this research to the next level by producing MnBi2Te4 films as thin as a single layer,” says Fornari, who was the first postdoctoral scholar to be supported by the Hallwachs-Röntgen Postdoc Program (p. 62). Topologische Isolatoren Topological insulators ... sind revolutionäre Quantenmaterialien, die in ihrem Inneren isolierend sind, aber auf ihrer Oberfläche bzw. an ihren Rändern Strom verlustfrei leiten. Damit vereinen sie eigentlich gegensätzliche Eigenschaften. Die erste experimentelle Realisierung dieser neuen Materialklasse gelang der Arbeitsgruppe um Laurens W. Molenkamp in Würzburg – heute einer der ct.qmat-Forscher. ... are revolutionary quantum materials. They combine contradictory properties because whereas their interior acts like an electrical insulator, the surface can conduct electricity without loss. This new class of materials was first created in the laboratory by the group in Würzburg headed by Laurens W. Molenkamp – now one of the researchers in ct.qmat. Spintronik Spintronics ... steht für eine neuartige Form der Elektronik, bei der Informationen mithilfe des Elektronen-Spins – das heißt, des eigenen magnetischen Moments der Elektronen – kodiert und nach den Gesetzen der Quantenphysik verarbeitet werden. Der Spin spielt bei topologischen Isolatoren eine entscheidende Rolle. ... represents a new type of electronics in which information is encoded using the spin of electrons – i.e., the electrons’ own magnetic moment – and processed according to the laws of quantum physics. Spin plays a key role in topological insulators. Interacting topological edge channels, Nat. Phys. (2020). All topological bands of all nonmagnetic stoichiometric materials, Science (2022). Any axion insulator must be a bulk three-dimensional topological insulator, Phys. Rev. B (2021). Design and realization of topological Dirac fermions on a triangular lattice, Nat. Commun. (2021). Weitere ausgewählte Highlights Further selected highlights Paper highlight Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator, Nature (2019).
NOVEL NANOSTRUCTURES OF QUANT INTERACTING SPIN NEUARTIGE MAGNETISCHE QUANTENMATERIALIEN VERFLOCHTENE ELEKTRONISCHE ENMAGNETEN QUANTENKRITIKALITÄT HE SYSTEME RIERTER MAGNETISMUS FLÜSSIGKEITEN SKYRMIO NOVEL MAGNETIC QUANTUM MATERIALS INTERTWINED ELECTRONIC ORDERS NANOSTRUCTURES OF QUANTUM MAGNETS QUANTUM CRITICALITY INTERACTING TOPOLOGICAL SYSTEMS FRUSTRATED MAGNETISM SPIN LIQUIDS SKYRMIONS NEUARTIGE MAGNETISCHE QUANTENMATERIALIEN VERFLOCHTENE ELEKTRONISCHE ORDNUNGEN NANOSTRUKTUREN VON QUANTENMAGNETEN NOVEL INTERTW ERIALIEN GEN TENMAGN QUANTENKRITIKALITÄT WECHSELWIRKENDE TOPOLOGISCHE SYSTEME FRUSTRIERTER MAGNETISMUS SPINFLÜSSIGKEITEN SKYRMIONEN 18 ct.qmat 1 Schlaglichter Spotlights AREA A B C D
MAGNETIC QUANTUM MATERIALS INTERTWINED ELECTRONIC ORD QUANTUM MAGNETS TUM CRITICALITY TOPOLOGICAL SYSTEMS FRUSTRATED MAGNETIS LIQUIDS SKYRMIONS ORDNUNGEN ONEN MAGNETIC QUAN WINED ELEC NETENNAN ct.qmat 19
20 ct.qmat Quantenmagnetismus Quantum Magnetism AREA A B C D Zu den Zielen gehören die Entdeckung, Synthese und Untersuchung von neuartigen magnetischen Materialien, die überraschende, von Wechselwirkungen getriebene Phänomene zeigen. Ein Forschungsfeld sind Spinflüssigkeiten. The goals include the discovery, synthesis, and study of novel magnetic materials exhibiting surprising, interaction-driven phenomena. One field of research is spin liquids. Neuartige Zustände: Die Wissenschaftler:innen von ct.qmat sind auf der Suche nach magnetischen Verbindungen, die überraschende Phänomene aufweisen und nach noch unbekannten Prinzipien funktionieren. Ein Beispiel sind Spinflüssigkeiten. „Dies sind grundlegend neue Materiezustände von topologischen Magneten, die keine offensichtliche Ordnung aufweisen. Vielleicht öffnen uns Spinflüssigkeiten andersartige Wege, elektrische Felder an Magnetismus zu koppeln – das wäre ein Ansatzpunkt für neue Technologien“, sagt Roderich Moessner vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden, der 2013 den Gottfried Wilhelm LeibnizPreis für seine Arbeit zu magnetischen Monopolen erhielt und zu den Gründungsmitgliedern des Exzellenzclusters gehört. Von konkreten Anwendungen sei man aber noch entfernt. Das brauche Zeiträume von vielen Jahren. Zu den Materialien, bei denen am ct.qmat-Standort Dresden nach einzigartigen Merkmalen für „neue Physik“ geforscht wird, gehört Rutheniumtrichlorid (RuCl3). Experimente haben Hinweise auf exotische Anregungen – sogenannte Majorana-Fermionen – gefunden, wie man sie für eine spezielle Art von Spinflüssigkeit erwarten würde.
ct.qmat 21 Auf der Suche nach „neuer Physik“ In search of “new physics” ct.qmat bündelt Exzellenz und die Stärken vieler toller Forscherinnen und Forscher, die gemeinsam über den Tellerrand schauen und an Ergebnissen arbeiten, die sie gemeinsam erreichen können. Grundlagenforschung ist nicht vorhersagbar, aber die richtigen Personen zusammenzubringen als Voraussetzung für bahnbrechende Erkenntnisse – das ist ein sehr guter Ansatzpunkt." ct.qmat combines excellence with the strengths of many brilliant researchers who think outside the box and work together to achieve results. Although pure research is unpredictable, bringing the right people together is the first step to scientific breakthroughs, and that’s a great way to start." Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme Dresden Roderich Moessner Novel states: Scientists at ct.qmat are seeking magnetic compounds that display surprising phenomena and function in keeping with previously unknown principles. One example is spin liquids – “fundamentally new states of matter of topological magnets that have no apparent order,” according to Roderich Moessner from the Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden, one of the founding members of ct.qmat and winner of the 2013 Gottfried Wilhelm Leibniz Prize for his work on magnetic monopoles. “Spin liquids might open up different ways for us to couple electric fields to magnetism – and that would be a starting point for new technologies.” However, concrete applications are still many years off, he adds. One of the materials being studied for unique characteristics for “new physics” at ct.qmat in Dresden is ruthenium trichloride (RuCl3). Experiments have revealed evidence of exotic excitations known as “Majorana fermions,” as is to be expected for a particular kind of spin liquid.
i 22 ct.qmat AREA A B C D Durch die Grundlagenforschung schaffen wir Instrumente, die vorher nicht existiert haben“, erklärt Moessner. Das sei letztlich das Ziel von ct.qmat. Bei den Spinflüssigkeiten richte sich das Augenmerk darauf, „einen Materiezustand zu realisieren, der anders als bekannte Magnete reagiert und dessen magnetische Eigenschaften gleichzeitig kontrollierbar sind.“ Vielleicht könne man so zum Beispiel einen magnetischen Wechselstrom erzeugen. Dies sei allerdings rein spekulativ. „Zurzeit ermitteln wir die Gesetzmäßigkeiten, nach denen sich solche komplexen physikalischen Systeme organisieren.“ Majorana-Fermionen Majorana fermions ... bezeichnen Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind. 1937 vermutete Ettore Majorana ihre Existenz. In speziell entworfenen Materialien können sie bei tiefen Temperaturen als Quasiteilchen entstehen. Sie könnten in der Zukunft als Bausteine für topologische Quantencomputer dienen. ... are particles which are their own antiparticles. Their existence was postulated by Ettore Majorana in 1937. They can be created as quasiparticles at low temperatures in specially designed materials. One day they may serve as building blocks in topological quantum computers. Grundlagen erweitern Expanding foundations Im deutschlandweit einzigartigen Hochfeld-Magnetlabor des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, einer ct.qmat-Partnereinrichtung, erforscht Doktorandin Ena Osmic im Rahmen ihrer Promotion magnetische Phänomene, die künftig ganz neue technische Möglichkeiten eröffnen könnten. In the high magnetic field laboratory of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, a ct.qmat partner facility that’s unique in Germany, Ena Osmic is researching magnetic phenomena for her doctorate that could eventually lead to unheralded technical innovations.
i ct.qmat 23 Der Doktorand Adam McRoberts ist aus Schottland extra nach Dresden gekommen, um am Max-PlanckInstitut für Physik komplexer Systeme bei Roderich Moessner zu promovieren. Er erforscht die Quantentheorie von Magneten. PhD student Adam McRoberts came all the way from Scotland to Dresden to do his doctorate under Roderich Moessner at the Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme. He’s researching the quantum theory of magnets. # Pure research for unknown applications: ct.qmat is searching for strange states of matter known as “spin liquids.” The tools for this are provided by chemistry as well as theoretical and experimental physics. One candidate is ruthenium trichloride, RuCl3. #Grundlagenforschung für Anwendungen, die man noch nicht kennt: Im Exzellenzcluster wird nach seltsamen Materiezuständen gefahndet, sogenannten Spinflüssigkeiten. Chemie, theoretische und experimentelle Physik liefern das Werkzeug. Ein Kandidat ist Rutheniumtrichlorid, RuCl3. Basic research enables us to create tools that didn’t exist before,” declares Moessner – which is ultimately the objective of ct.qmat. With spin liquids, he explains, the aim is to “realize a state of matter that reacts differently from known magnets, and whose magnetic properties can be controlled.” Perhaps this could be used to generate, say, an alternating magnetic current – although this is only speculative, he adds. “Our current focus is to determine the laws by which such complex physical systems organize themselves.” Fermionen Fermions ... sind eine Teilchensorte, aus denen die Materie besteht, und wurden nach Enrico Fermi benannt. Dazu gehören unter anderem Elektronen und Neutrinos. Die Lichtteilchen – Photonen – dagegen sind Bosonen. ... are types of particles that make up matter. Named after Enrico Fermi, they include electrons and neutrinos. By contrast, light particles (photons) are bosons.
i Frakton Fracton 24 ct.qmat AREA A B C D Spinflüssigkeit Spin liquid ... beschreibt einen Zustand eines Magneten, der auch beim Abkühlen – anders als beispielsweise ein Ferromagnet – keine Ordnung einnimmt. Die Spins fluktuieren also auch bei extrem tiefen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Vor ca. 30 Jahren war noch unbekannt, ob Spinflüssigkeiten überhaupt existieren. Inzwischen kennen Physiker viele Modelle und auch eine Reihe von Materialien, in denen ein solches Verhalten auftritt. ... describes a state of a magnet which, unlike a ferromagnet for example, doesn’t assume any order even when it cools down. The spins therefore keep fluctuating even at extremely low temperatures close to absolute zero. About thirty years ago, it still wasn’t clear whether spin liquids actually existed or not. In the meantime, physicists are aware of several models and even a number of materials in which this behavior occurs. Anschaulich wird die komplizierte Physik der zugrundeliegenden Eichtheorien beim Falten von Papier. „Eine Verallgemeinerung der Spinflüssigkeit wird mathematisch durch die gleiche Theorie beschrieben wie gefaltetes Papier“, erläutert Moessner. So stelle man beim Basteln eines Papierfliegers fest, dass sich ein Blatt Papier nur entlang einer geraden Linie sauber falten lasse. Versuche, entlang einer Kurve zu falten, führten schlimmstenfalls zum Riss. „Analog dazu gibt es Teilchen, die sich im dreidimensionalen Raum nicht frei, sondern nur in eine Richtung bewegen können“, beschreibt Moessner. „Gemeinsam mit Forschenden aus dem indischen Bangalore haben wir entdeckt, dass die Falzspitze – der Punkt, an dem der Falz eines teilweise gefalteten Papiers endet – einer elektrischen Ladung mit Vektorcharakter entspricht. Sie ist also nicht einfach positiv oder negativ, sondern eine Ladung mit einer Richtung.“ Damit ist sie bei ihrer Bewegung Beschränkungen unterworfen und kann sich nur in Richtung ihrer Ladung bewegen. „Genau das geschieht beim Falten des Papiers entlang einer geraden Linie. Verletzt man diese Beschränkung, tut das dem Papier nicht gut.“ Eine solche eingeschränkte Bewegung gibt es auch bei Spinflüssigkeiten höherer Ordnung, welche theoretisch vorhergesagt worden sind und nun experimentell gesucht werden. Vom Papierfalten Take a piece of paper … Ein flaches Blatt kann entlang einer geraden Linie gefaltet werden, ohne dass zusätzliche Knicke oder Risse entstehen. A flat piece of paper can be folded along a straight line without tearing or additionally creasing it.
i ct.qmat 25 Magnetische Monopole Magnetic monopoles ... sind Teilchen, über deren Existenz Paul Dirac 1931 spekulierte. Moessner war der Erste, der einen Stoff identifizierte, in dem sich magnetische Nord- und Südpole frei bewegen und beliebig weit voneinander entfernen können. Dies geschieht in Spineis – einer Familie von Substanzen, die durch eine besondere Kristallstruktur exotische Eigenschaften entwickeln. Hier sind die Monopole aber keine Elementarteilchen, sondern vielmehr Quasiteilchen, die sich als Ergebnis der Wechselwirkungen der Elektronen im Material bilden. Deren Existenz ist experimentell bestätigt worden. ... are particles whose existence was conjectured by Paul Dirac back in 1931. Moessner was the first scientist to identify a substance in which the magnetic north and south poles move freely and can be any distance apart. This occurs in spin ice – a family of substances that develop exotic properties due to their special crystal structure. Here, however, instead of elementary particles, the monopoles are quasiparticles formed as a result of interactions among electrons in the material. Their existence has been experimentally confirmed. The complicated physics of the underlying gauge theories can be illustrated by folding a piece of paper. “A generalization of spin liquidity is described mathematically by the same theory as folded paper,” Moessner explains. When making a paper airplane, a sheet of paper can only be folded neatly along a straight line. Trying to fold it along a curve would be impossible without creasing or even tearing it. “Similarly, there are particles that can’t move freely in three-dimensional space – they can only move in one direction,” says Moessner. “Working with researchers from Bangalore in India, we discovered that the fold tip – the point where the fold of a partly folded piece of paper ends – corresponds to an electric charge with a vector character. Rather than being simply positive or negative, it’s a charge with a direction.” Accordingly, its motion is constrained, for it can only move in the direction of its charge. “This is exactly what happens when you fold paper along a straight line. If you violate this restriction, it won’t do the paper any good.” Restricted motion also exists in higher-order spin liquids, which have been predicted theoretically and are now being sought experimentally. Emergence of mesoscale quantum phase transitions in a ferromagnet, Nature (2022). Unveiling the three-dimensional magnetic texture of skyrmion tubes, Nat. Nanotechnol. (2022). Metallic and deconfined quantum criticality in Dirac systems, Phys. Rev. Lett. (2022). Tunable chirality of noncentrosymmetric magnetic Weyl semimetals in rare-earth carbides, npj Quantum Mater. (2022). Weitere ausgewählte Highlights Further selected highlights Paper highlight Fractonic view of folding and tearing paper: elasticity of plates is dual to a gauge theory with vector charges, Phys. Rev. Lett. (2021).
TOPOLOGISCHE TOPOLOGISCHE LICHTTRICHTER OPTISCH PHOTONISCH HOTONIC T OPTISCHE BERRY-PHASE PHOTONISCHE PHOTONISCHE TOPOLOGISCHE TOPOLOGISCHE POLARITONEN POLOGISCHE ELEKTRISCHE QUANTENNETZWERKE TOPOLOGISCHE LICHTTRICHTER 26 ct.qmat 1 Schlaglichter Spotlights AREA A B C D
OPTISCHE BERRY-PHASE PHOTONISCHE BAUTEILE PHOTONISCHE TOPOLOGISCHE ISOLATOREN TOPOLOGISCHE POLARITONEN E ELEKTRISCHE SCHALTKREISE CHIRALE QUANTENNETZWERKE E LASER OPTICAL BERRY PHASE PHOTONIC DEVICES PHOTONIC TOPOLOGICAL INSULATORS TOPOLOGICAL POLARITONS TOPOLOGICAL ELECTRICAL CIRCUITS CHIRAL QUANTUM NETWORKS TOPOLOGICAL LASER FUNNEL OF LIGHT HE BERRY-PHASE HE BAUTEILE TOPOLOGIC BAUTEILE E ISOLATOREN SCHALTKREISE LASER OPTICAL BERRY PHASE PHOTONIC DEVICES PHOTONIC TOPOLOGICA TOPOLOGICAL POLARITONS TOPOLOGIC CHIRAL QUANTUM NET TOPOLOGICA FUNNEL OF LIGHT ct.qmat 27
28 ct.qmat Topologische Photonik Topological Photonics AREA A B C D Die Topologie als Organisationsprinzip eröffnet auch in der Photonik neue Möglichkeiten und verspricht revolutionäre Anwendungen durch maßgeschneiderte Materialien sowie hocheffektive photonische Technologien. Ein Forschungsgebiet sind topologische Laser. Topology as an organizing principle also opens up new prospects in photonics. It holds out the promise of revolutionary applications based on tailored materials and ultraefficient photonic technologies. One area of research is topological lasers. Illustration eines topologischen Lasers, bestehend aus 30 gekoppelten vertikalen Lasern. Alle Mikrolaser entlang einer topologischen Grenzfläche verhalten sich wie ein einziger Laser. Sie strahlen gemeinsam kohärentes Laserlicht aus. Illustration of a topological laser comprising 30 coupled vertical lasers. All the microlasers arranged along a topological interface behave like a single laser. Together, they emit coherent laser light.
ct.qmat 29 #Superlaser entwickelt: Ein israelisch-deutsches Forschungsteam hat erstmals ein Netzwerk oberflächenemittierender Laser dazu gebracht, wie ein einziger Laser zu agieren. Dieser topologische Laser ist ein international beachteter wissenschaftlicher Durchbruch. #Developing super-lasers: For the first time, an Israeli-German research team has produced an array of surface-emitting lasers acting like a single laser. This topological laser is an internationally acclaimed scientific breakthrough. Licht für Zukunftstechnologien: Mit einem hocheffektiven Lasernetzwerk in Sandkorngröße ist einem israelisch-deutschen Forschungsteam des Exzellenzclusters ct.qmat ein wissenschaftlicher Durchbruch in der topologischen Photonik gelungen. Unter Leitung von Sebastian Klembt aus Würzburg und Mordechai Segev vom Technion in Haifa, der mit dem Cluster assoziiert ist, wurde erstmals ein Netzwerk oberflächenemittierender Laser dazu gebracht, gemeinsam wie ein einziger Laser zu agieren. Damit wurde aus diesen kompakten und industriefreundlichen Oberflächenemittern ein topologischer Laser geschaffen. Light for tomorrow’s technologies: By developing a highly effective laser array the size of a grain of sand, an Israeli-German research team from ct.qmat has achieved a scientific breakthrough in topological photonics. Led by Sebastian Klembt from Würzburg and Mordechai Segev (an external member of ct.qmat) from the Technion in Haifa, an array of surface-emitting lasers has been made to act like a single laser for the first time. In other words, they’ve been turned into a topological laser. Topologisches Lasernetzwerk in Sandkorngröße Topological laser array the size of a sand grain
Faculty of Physics, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Technion – Israel Institute of Technology Haifa Mordechai „Moti“ Segev 30 ct.qmat AREA A B C D Mordechai „Moti“ Segev – der Erfinder der topologischen Photonik Mordechai “Moti” Segev: The father of topological photonics Als wir mit der Entwicklung topologischer Laser begannen, hat niemand an diese Möglichkeit geglaubt“, erklärt Mordechai Segev. 2013 eröffnete der israelische Wissenschaftler das Forschungsfeld der topologischen Photonik, als er mit Alexander Szameit von der Universität Rostock in einem Nature-Artikel den ersten photonischen topologischen Isolator vorstellte. Seitdem hat sich die topologische Photonik zu einem riesigen Gebiet entwickelt, an dem Hunderte von Gruppen forschen. „Vor sechs Jahren habe ich angefangen, mit Sebastian Klembt und Sven Hö fling von der JMU Würzburg (beide ct.qmat) zusammenzuarbeiten. Mein Team in Haifa ist im Bereich Photonik theoretisch und experimentell sehr stark. Aber wir haben keine Anlagen zur Fabrikation oder für Tieftemperaturexperimente, wie sie in Würzburg durchgeführt werden. Auch wenn wir persönliche Treffen während der Corona-Pandemie auf Eis legen mussten, haben wir unsere Kooperation erfolgreich fortgesetzt.“ Obwohl die topologische Photonik eigentlich auf das Jahr 2008 und eine Theorie-Arbeit des Nobelpreisträgers Duncan Haldane aus Princeton zurückgehe, entwickle man erst jetzt erste praktische Anwendungen, so Segev. Am aussichtsreichsten sei das 2021 mit Klembt und Höfling in Science vorgestellte Lasernetzwerk. „Ein weiteres vielversprechendes Feld ist Quantencomputing, das höchstwahrscheinlich irgendwann auf photonischen Plattformen basieren wird. Da photonische Schaltkreise nicht sehr fehlertolerant sind, werden topologische Methoden benötigt, um sie zu schützen. Mit topologischer Photonik lässt sich auch der Bahndrehimpuls – und damit die Topologie – von Laserstrahlen steuern. Daran arbeiten wir jetzt mit Würzburg.“ Die laut Segev „wohl aufregendste Forschung in der topologischen Physik“ findet zurzeit auf dem Gebiet der photonischen topologischen Isolatoren statt. „Die Oberflächen dieser isolierenden Materialien unterstützen den verlustfreien Photonenfluss und könnten daher für das Quantencomputing interessant sein. In einem NatureArtikel von September 2022 haben wir gemeinsam mit Alexander Szameit – meinem engsten Partner bei ct.qmat – die Machbarkeit dreidimensionaler photonischer topologischer Isolatoren demonstriert. Jetzt planen wir besonders anspruchsvolle Experimente mit topologischer Photonik in synthetischen Räumen in vier oder sogar mehr Dimensionen. Dies könnte uns neue Einblicke in die – kontraintuitive – Physik einer hochdimensionalen Welt geben und Ideen hervorbringen, die uns in unerforschtes Gebiet führen. Das würde die Konstruktion physikalischer Systeme ermöglichen, in denen Wellen auf seltsame und ungewöhnliche Weise transportiert werden.“
i ct.qmat 31 When we began developing topological lasers, everyone else said it couldn’t be done,” recalls Israeli scientist Mordechai Segev. He ushered in research into topological photonics in 2013 when he collaborated with Professor Alexander Szameit from Universität Rostock on a joint paper in Nature introducing the first photonic topological insulator. Since then, hundreds of topological photonics research groups have sprung up. “Six years ago, I also started working with Sebastian Klembt and Sven Hö fling from JMU Würzburg, both members of ct.qmat. My team in Haifa is strong on theory and on experiments in photonics. But we lack the facilities for fabrication and low-temperature experiments, which are conducted in Würzburg. Even though our regular meetings were put on hold during the pandemic, our collaboration continued,” says Segev. He explained that although topological photonics actually dates back to 2008 (a theoretical paper by Nobel laureate Duncan Haldane of Princeton), only now are the first practical applications emerging. The most promising one, according to Segev, is the laser array presented with Klembt and Hofling in Science in 2021. Another is quantum computing, which will most likely be based on photonic platforms. “However, because photonic circuits aren’t very fault-tolerant, topological methods will be required to protect them.” And he adds: “Topological photonics can also be used to control the orbital angular momentum (i.e., the topology) of laser beams. This is something we’re now working on with Würzburg.” According to Segev, “perhaps the most exciting research in topological physics” currently concerns photonic topological insulators. “The surfaces of these insulating materials support the flow of photons without dissipation and could therefore also aid quantum computing. In September 2022, Alexander Szameit (my closest collaborator at ct.qmat) and I demonstrated the viability of three-dimensional photonic topological insulators in Nature. We’re now planning challenging experiments in synthetic space involving topological photonics in four or even more dimensions. This could give us new insights into the (counterintuitive) physics of a high-dimensional world and spark new ideas leading us into uncharted territory. This would allow physical systems to be engineered in which waves are transported in strange and unusual ways.” Physics World Breakthrough of the Year-Award ... ist eine vom britischen Fachjournal Physics World vergebene Auszeichnung. Es kommt einem Adelsschlag gleich, als eine von zehn Top-Publikationen für den „Durchbruch des Jahres“ nominiert zu werden. Laut Angaben der Zeitschrift hat das Herausgabeteam für die Nominierungen 2021 Hunderte von Artikeln bewertet, die in dem Jahr erschienen sind. Physics World ist die wichtigste Zeitschrift im Verlag des britischen Institute of Physics, einer der ältesten wissenschaftlichen Gesellschaften Europas. ... is an award presented by the British journal Physics World. Having a publication declared one of the ten finalists is like being made a knight of the scientific order! According to the journal, the editorial team assessed hundreds of articles published in 2021 before whittling them down to ten finalists for that year’s Breakthrough of the Year award. Physics World is the flagship journal of the British Institute of Physics, one of Europe’s oldest scientific societies.
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