Erweiterter Fokus: FuE-Cluster ctd.qmat startet in die Zukunft der Quantenforschung

Die Dynamik von Quantensystemen ist ein zentrales Thema der aktuellen Festkörperphysik und ein neuer Fokus der Cluster-Forschung. Ein besseres Verständnis der Quantendynamik gilt als Schlüssel, um neuartige Phänomene in Quantenmaterialien für Anwendungen wie grüne Energietechnologien, Quantencomputing oder hochsensible Sensorik nutzbar zu machen. 

• Neue Dynamik im System

Neben Komplexität und Topologie bildet die Dynamik in Quantensystemen für ctd.qmat nun den dritten Schwerpunkt, der alle Forschungsbereiche des Exzellenzclusters prägen wird. „Die Quantendynamik ist der Schlüssel, um die in der 1. Förderperiode entdeckten Phänomene tiefgreifender zu verstehen, gezielt zu kontrollieren und technologisch einsetzen zu können“, betont Matthias Vojta, Professor für Theoretische Festkörperphysik an der Technischen Universität Dresden und Dresdner Sprecher des Clusters. „Wir freuen uns darauf, in der 2. Förderperiode bis 2032 noch stärker auf Anwendungskonzepte für unsere Grundlagenforschung zu konzentrieren.“

• Quantenprozesse in Echtzeit kontrollieren

Wie verändern sich Quantensysteme im Zeitverlauf, besonders unter zeitabhängigen äußeren Impulsen wie elektrischen Strömen, Magnetfeldern oder Druck? Fragen wie diese rücken bei ctd.qmat verstärkt ins Blickfeld. „Viele Anwendungen in der Informationsverarbeitung, Sensorik oder Energieumwandlung beruhen auf extrem schnellen Schalt- und Steuervorgängen“, erklärt Ralph Claessen, Professor für Experimentelle Physik IV der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und Würzburger Clustersprecher. „In der 2. Förderperiode entwickeln wir Theorien zur komplexen Dynamik in topologischen Quantenmaterialien und erforschen Phänomene, die nur unter dynamischer Steuerung auftreten.“ Um ultraschnelle Prozesse in Echtzeit zu messen und zu kontrollieren, wird die experimentelle Infrastruktur weiter ausgebaut. Ziel sind Quantenmaterialien, die bei Raumtemperatur funktionieren und neue Möglichkeiten für grüne Energietechnologien, energiesparende Elektronik, präzise Sensorik oder robuste Quantenbits eröffnen.

• Vielversprechende Forschungsansätze

Zu den besonders vielversprechenden Forschungslinien gehört die topologische Katalyse. Hier untersuchen ctd.qmat-Wissenschaftler, wie sich topologische Quantenmaterialien nutzen lassen, um elektrochemische Prozesse wirtschaftlicher zu gestalten, etwa bei der Umwandlung von CO2 oder der Herstellung von grünem Wasserstoff. Erste Befunde deuten darauf hin, dass sich katalytische Aktivität durch gezielte zeitabhängige Steuerung topologischer Eigenschaften ein- und ausschalten lässt.

Darüber hinaus arbeitet das Cluster an neuen Formen topologischer Supraleitung, die langlebige Quantenzustände und stabilere QuBits ermöglichen könnten. Ein weiteres Thema ist das Quantum-Sensing. Dabei werden zum Beispiel hochempfindliche Messverfahren auf Basis einzelner Spins entwickelt.

• Ausbau von Forschung und Infrastruktur

Mit dem neuen Forschungsfeld C „Synthetische Quantenmaterie“ erweitert ctd.qmat seinen bisherigen Photonik-Schwerpunkt um künstliche Plattformen, auf denen sich Quantenphänomene erzeugen, verstärken und genau steuern lassen – auch solche, die in natürlichen Materialien nicht vorkommen. Zudem sind sechs Neubesetzungen von Professuren u.a. mit Experten für Quantendynamik geplant, je drei pro Standort. In Dresden wird 2029 gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) ein neues Quantenforschungszentrum mit hochmodernen Laborflächen eröffnet.