Topologie: Eine Revolution für die Physik Dritte Förderperiode für den Sonderforschungsbereich 1143 bewilligt

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1143 „Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie“, an dem auch die Abteilung Festkörpertheorie am Institut für Theoretische Physik (ITP) der Technischen Universität Braunschweig mit einem Teilprojekt beteiligt ist, wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) auch in einer dritten Förderperiode unterstützt. Von 2023 bis 2026 stehen dem SFB 1143 insgesamt 10,5 Millionen Euro zur Verfügung.

Das Pyrochlorgitter, ein Nährboden für Spin-Eis, Quanten-Spin-Eis und emergente Elementarteilchen, ist das Logo des SFB 1143. Bildnachweis: Wolfram Brenig/TU Braunschweig

„Die Physik des 21. Jahrhundert befindet sich in einer Revolution. Die Topologie als mathematisches Konzept ist dabei, zusammen mit der Quantenphysik vieler wechselwirkender Teilchen das Verständnis der Natur fundamental zu verändern. Während allein die Quantenphysik noch heute rätselhaft erscheinen mag, so hat deren topologische Revolution der physikalischen Grundlagenforschung in den letzten Jahren bahnbrechende Entdeckungen erlaubt“, erklärt Professor Wolfram Brenig vom ITP und Leiter des Teilprojekts „Transport, Anregungen und Kritikalität in frustrierten Quantenmagneten“. Gemeinsam mit Kolleg*innen aus Dresden und Berlin untersucht er topologische und verwandte Phasen der Materie.

Was ist an der Topologie revolutionär?

Die topologische Festkörperphysik ist noch ein vergleichsweise junges Feld der Grundlagenforschung und steckt deshalb noch voller Überraschungen und unerwarteter Entdeckungen. Zum einen geht es auch hier um die Suche nach Phänomenen, welche die Grundlage moderner Technologien bilden, zum anderen um das Erkennen fundamentaler Prinzipien, nach denen die uns umgebende Welt organisiert ist: Im Gegensatz zum bisherigen Verständnis der Physik kann Ordnung in festen Körpern nicht nur durch ein regelmäßiges Gitter von Atomen entstehen – so wie im Kochsalz – sondern dadurch, dass sich deren quantenphysikalische Eigenschaften an die Topologie des sie umgebenden Raumes anpassen. Die Topologie stellt daher eine junge und wichtige Erweiterung dieser Organisationsprinzipien dar.

Basierend auf diesen Erkenntnissen können im Anschluss neue Anwendungen, für moderne Technologien, Materialien oder künstliche Intelligenz geschaffen werden. Ein denkbares Anwendungsfeld sind zukünftige Quantencomputer.

Der SFB 1143

Der Sonderforschungsbereich 1143 „Korrelierter Magnetismus: Von Frustration zu Topologie“ mit 21 Teilprojekten wurde 2015 gegründet und geht 2023 in seine dritte Förderphase. Der SFB widmet sich einer großen Klasse von Magneten, in denen konkurrierende, das heißt frustrierte, Wechselwirkungen die Ausbildung konventioneller magnetischer Ordnung verhindern. Sie führen stattdessen zu einer Vielzahl alternativer und nicht-trivialer Phänomene, die häufig topologischer Natur sind. Ziel des SFB ist es, Materialien zu identifizieren, herzustellen und zu verstehen, in denen solche Phänomene beobachtet werden können.

Dank des SFB 1143 ist das Institut für Theoretische Physik der TU Braunschweig eng mit der Dresdener Forschungslandschaft vernetzt. In dem Sonderforschungsbereich sind insgesamt mehr als 130 Forschende an 21 Teilprojekten beteiligt. Hier steht das Team vor der Albrechtsburg Meissen. Bildnachweis: Kerstin Brankatschk/TU Dresden

Sprecher des SFB 1143 ist Matthias Vojta, Professor für Theoretische Festkörperphysik an der Technischen Universität Dresden. Beteiligt sind darüber hinaus, neben der Technischen Universität Braunschweig, die beiden Dresdener Max-Planck-Institute für „Physik komplexer Systeme“ sowie für „Chemische Physik fester Stoffe“, das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und die Technische Universität Berlin.