Was fasziniert Sie persönlich an Quantenmaterialien und wo sehen Sie ihr größtes Potential?
Mich fasziniert, wie aus der Wechselwirkung vieler einfacher Einheiten völlig neue Eigenschaften entstehen – das Prinzip „more is different“. Das kennen wir auch aus der klassischen Welt: Ein einzelnes Neuron erfüllt eine relativ einfache Funktion, aber aus dem Zusammenspiel vieler entsteht menschliches Denken.
In der Quantenmechanik wird dieses Prinzip noch einmal radikal verstärkt. Die Komplexität wächst exponentiell mit der Anzahl der Teilchen. Schon bei Systemen mit etwa hundert Elektronen ist es praktisch unmöglich, den vollständigen Quantenzustand überhaupt noch zu speichern oder zu berechnen.
Diese enorme Komplexität ist aber nicht nur ein Problem – sie ist auch eine Chance. Wenn es gelingt, sie gezielt zu nutzen, können völlig neue Arten von Funktionalität entstehen. Anstatt komplexe Prozesse mit großem Aufwand auf klassische digitale Schaltkreise zu übertragen, könnten Quantenmaterialien bestimmte Aufgaben direkt und deutlich effizienter übernehmen. Darin liegt aus meiner Sicht ihr größtes Potential.
Wie hat sich das Verständnis von Quantenmaterialien in den letzten Jahren verändert?
Der Begriff „Quantenmaterialien“ ist bewusst weit gefasst. Streng genommen sind alle Materialien durch Quantenmechanik beschrieben. Als Quantenmaterialien bezeichnet man jedoch solche, bei denen diese Effekte zu besonders ungewöhnlichen oder unerwarteten Eigenschaften führen – Eigenschaften, die sich deutlich von klassischen Metallen oder Halbleitern unterscheiden.
In den letzten Jahren hat sich das Feld stark erweitert, vor allem durch Fortschritte in der Materialherstellung und in experimentellen Methoden. Dadurch können wir heute viel gezielter neue Materialien erzeugen und ihre Eigenschaften untersuchen.
Ein Beispiel ist die sogenannte Spintronik. Dabei nutzt man nicht nur die elektrische Ladung von Elektronen, sondern auch ihren Spin – also ihr magnetisches Moment – zur Informationsverarbeitung. Diese Konzepte sind bereits heute in modernen Datenspeichern im Einsatz und werden weiterentwickelt.
Welche Rolle spielen Quantenmaterialien für die Entwicklung von Quantencomputern?
Der Quantencomputer ist in gewisser Weise die „Quadratur des Kreises“. Quantenzustände sind extrem leistungsfähig, weil sie sehr komplex sind und viele Zustände gleichzeitig beschreiben können. Genau diese Eigenschaft macht sie aber auch extrem empfindlich.
Schon kleinste Störungen – etwa ein einzelnes falsch platziertes Atom – können ausreichen, um ein Quantensystem zu stören. Deshalb betreibt man solche Systeme meist unter extrem kontrollierten Bedingungen: bei sehr tiefen Temperaturen und möglichst vollständig abgeschirmt von der Umgebung.
Für praktische Anwendungen ist das jedoch ein Problem. Ein funktionierender Quantencomputer muss ständig mit seiner Umgebung kommunizieren – Daten aufnehmen und ausgeben.
Hier kommen Quantenmaterialien ins Spiel. Gesucht werden Materialien, die Quantenzustände stabil halten können und gleichzeitig eine kontrollierte Kopplung zur Außenwelt erlauben. Diese Balance ist eine der zentralen Herausforderungen auf dem Weg zu skalierbaren Quantencomputern.
Was sind die größten Herausforderungen für praktische Anwendungen?
Eine oft zitierte Beobachtung ist der „unverständliche Erfolg des Siliziums“. Unsere gesamte heutige Elektronik basiert auf Silizium, und die industrielle Infrastruktur ist vollständig darauf optimiert.
Neue, oft chemisch komplexe Quantenmaterialien in diese bestehende Technologiewelt zu integrieren, ist daher extrem aufwendig und risikoreich. Für Unternehmen bedeutet das hohe Investitionen ohne garantierten Erfolg.
Deshalb muss die Grundlagenforschung nicht nur neue Materialien entdecken, sondern auch klar zeigen, welchen konkreten Vorteil sie bieten – also einen überzeugenden „Use Case“. Erst wenn dieser Mehrwert eindeutig ist, lohnt sich der Transfer aus dem Labor in die industrielle Anwendung.
Wie nutzen Sie moderne Technologien in Ihrer Forschung und welche Durchbrüche erwarten Sie?
In unserer Abteilung in Hamburg entwickeln wir Prototypen von einfachen Schaltkreisen aus Quantenmaterialien. Dabei nutzen wir hochpräzise Ionenstrahl-Technologie, um aus winzigen Materialkristallen Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich zu formen.
Diese Proben untersuchen wir bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, um störende thermische Effekte zu minimieren und die Quanteneigenschaften sichtbar zu machen.
Aktuell arbeiten wir unter anderem an neuen magnetischen Materialien, in denen Information besonders stabil gespeichert und über magnetische Felder ausgelesen werden kann.
Ein weiterer Schwerpunkt sind hochsymmetrische Kristallstrukturen, etwa Gitter aus miteinander verbundenen Dreiecken. In solchen Systemen beobachten wir quantenmechanische Interferenzeffekte bei ungewöhnlich hohen Temperaturen – ein Hinweis darauf, dass sich Quantenphänomene künftig unter deutlich praktischeren Bedingungen nutzen lassen könnten.
Welche Rolle spielen Quantenmaterialien für nachhaltige Energie und Effizienz?
Menschen unterschätzen systematisch exponentielles Wachstum. Ein klassisches Beispiel ist die Geschichte vom Schachbrett: Auf jedes Feld wird doppelt so viel Reis gelegt wie auf das vorherige. Intuitiv erwartet man eine überschaubare Menge – tatsächlich entstehen am Ende enorme Massen.
Ein ähnliches Problem sehen wir heute in der Informationsverarbeitung. Digitale Technologien und insbesondere künstliche Intelligenz verbrauchen bereits einen erheblichen Anteil der weltweiten elektrischen Energie – und dieser Bedarf wächst sehr schnell und exponentiell.
Dieses Wachstum lässt sich langfristig nicht einfach durch effizientere klassische Technologien kompensieren. Wir brauchen grundlegend neue Ansätze.
Quantenmaterialien bieten hier eine Perspektive: Statt immer komplexere und energieintensivere Schaltungen aus bekannten Bausteinen zu konstruieren, könnten wir die in Materialien selbst angelegte Komplexität nutzen. Bestimmte Rechenprozesse würden dann nicht mehr simuliert, sondern direkt durch physikalische Prozesse im Material ausgeführt – potenziell deutlich energieeffizienter.