Forschung an maßgeschneiderten Quantenmaterialien

Das Cluster verbindet zwei der führenden Forschungsstandorte für kondensierte Materie und ist 2026 in die 2. Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet.

Neue Materialien mit maßgeschneiderten Funktionalitäten bilden die Grundlage moderner Technologien, von der Informationsverarbeitung über die Energieversorgung bis zur Mobilität. Die Festkörperphysik, Wegbereiter vieler bedeutender technologischer Durchbrüche, hat das revolutionäre Konzept der Topologie eingeführt: Materialien können faszinierende und robuste globale Eigenschaften aufweisen, die nicht in lokalen Messungen sichtbar sind.

Das Exzellenzcluster “Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien (ctd.qmat)” hat sich zum Ziel gesetzt, neue Quantenmaterialien zu verstehen, zu beherrschen und anzuwenden und damit die Basis für zukünftige Technologien zu schaffen. Forschende aus Physik, Chemie und Materialwissenschaften verfolgen dabei ein interdisziplinäres Programm: Es verknüpft Theorie und Experiment in der Materialsuche, der Untersuchung neuer physikalischer Phänomene, der Manipulation quantenphysikalischer Zustände, der Entwicklung innovativer Anwendungen und der Erarbeitung eines systematischen Verständnisses der topologischen Physik. Das Cluster erforscht neuartige Materialien, in denen Quantenmechanik, Topologie sowie physikalische und chemische Komplexität neue Eigenschaften und Phänomene erzeugen.

Topologie hat sich weltweit als einer der wichtigsten Zweige der Festkörperphysik etabliert, mit Würzburg und Dresden als führenden Forschungsstandorten in Deutschland. ctd.qmat hat sich durch Kombination der komplementären Expertise und Infrastruktur beider Standorte zu einem enorm produktiven und global sichtbaren Leuchtturm entwickelt, der die besten Köpfe in diesem Feld anzieht und in die Gesellschaft ausstrahlt.

ctd.qmat ist in vier Forschungsbereiche gegliedert. Drei widmen sich verschiedenen Plattformen topologischer Physik: Elektronentransport, Magnetismus sowie Photonik & Metamaterialien. Der vierte Bereich schlägt die Brücke zu technologischen Anwendungen; Beispiele aus der ersten Förderperiode sind topologische Laser, topologische Katalysatoren und Quantensensoren.

Seit der Einrichtung des Clusters hat sich das Forschungsfeld mit atemberaubender Geschwindigkeit entwickelt. Jede neue Erkenntnis führt auf weitere, tiefgreifendere Fragen. Experimentelle und theoretische Fortschritte haben die Untersuchung von Problemen und Regimes ermöglicht, die vorher kaum zugänglich waren. Wir haben neue Materialien entdeckt, neue Plattformen für topologische Physik entwickelt, konzeptionelle Fortschritte erarbeitet, und all dies für neue, topologiebasierte Anwendungen genutzt. Insbesondere haben wir bemerkenswerte quantendynamische Phänomene über weite Längen- und Zeitskalen aufgedeckt. Dynamik, die vielversprechende Perspektiven für neuartige Funktionalitäten bietet, ist daher in der aktuellen Förderphase zu einem zusätzlichen Leitthema des Clusters geworden. Mit seiner integrierten, vielschichtigen Forschungsstrategie ist ctd.qmat hervorragend aufgestellt, dieses hochaktuelle Forschungsfeld mit weiteren fundamentalen Beiträgen voranzutreiben.