Titus Neupert

Autobahn für Elektronen

Homogene Materialien, die Strom leiten und gleichzeitig isolieren: Der theoretische Physiker Titus Neupert stösst zuweilen auf paradoxe Eigenschaften, wenn er atomare Strukturen von Festkörpern am Computer durchrechnet.

Von Roland Fischer

Titus Neuperts Labor ist sein eigener Kopf. Der 33-jährige theoretische Physiker sucht mit Hilfe von Mathematik und Quantenphysik nach Kristallen mit interessanten physikalischen Eigenschaften. Und er geht dabei ganz neue Wege. Denn früher wurden solche für Wissenschaft und Technologie spannenden Materialien aufgespürt, indem natürlich auftretende Kristallstrukturen aufgeklärt und ihre Eigenschaften studiert wurden. Wissenschaftler wie Titus Neupert drehen nun den Spiess um: Sie erdenken quantenmechanisch spannende Zustände und versuchen in der Folge, real existierende Materialien zu finden, die sich ähnlich verhalten wie die abstrakten Modelle, die die passenden Eigenschaften haben.

Fantastische Eigenschaften

Interessant sind beispielsweise Kristalle, die isolieren, aber an der Oberfläche Strom leiten – das klingt zuerst einmal ziemlich paradox. Zumindest aus Sicht der klassischen Festkörperphysik. Wenn man jedoch durch die Brille der Quantenphysik schaut, in der Paradoxien und Seltsamkeiten gang und gäbe sind, werden solche so genannte topologische Materialien möglich. Genau das macht der junge Professor, wenn er am Computer sitzt und rechnet. Denn es zeigt sich immer öfter, dass manche der errechneten Strukturen ziemlich fantastische Eigenschaften haben, besonders an den Rändern, wo die schöne Ordnung plötzlich abbricht. Da schlägt die Quantenphysik dann sozusagen Purzelbäume, die man nicht mit klassischer Chemie oder Metallkunde erklären kann. Diese Purzelbäume sind eine Spezialität des Physikers, der 2017 einen der begehrten ERC Starting Grants der EU für seine Forschung erhielt.

Nun hat Neupert zusammen mit Kollegen aus den USA, Spanien und Deutschland eine neue Klasse von topologischen Materialien erforscht, die nicht an den Oberflächen, sondern an den Kristallkanten Strom leiten können. Diese sind besonders interessant, weil die elektrisch leitenden Kanten äusserst robust sind: Verunreinigungen oder Unordnung im Kristall halten den Fluss der Elektronen nicht auf, der Strom fliesst einfach um das Hindernis herum.

Die Kanten müssen zudem nicht besonders präpariert werden, um leitfähig zu sein. Bricht der Kristall, sind auch die neuen Kanten automatisch wieder leitend. «Das Spannendste aber ist, dass Strom auf diese Art zumindest theoretisch widerstandsfrei geleitet werden kann», sagt Titus Neupert. «Man kann sich die Kristallkanten wie eine Autobahn für Elektronen vorstellen. Sie können nicht einfach umkehren.» Diese Eigenschaft der widerstandsfreien Leitfähigkeit, die vor allem von Supraleitern bei tiefen Temperaturen bekannt ist, lässt sich bei den bisher bekannten topologischen Isolatoren mit leitenden Oberflächen nicht finden.

Bismut machts möglich

Mittlerweile haben Neupert und seine Kollegen die ersten Kristalle in der realen Welt gefunden, die Strom leitende Kanten haben. Elementares Bismut hielt man lange für «topologisch trivial», wie es die Experten nennen, es galt deshalb als wenig interessant. Doch als Neupert und seine Kollegen die Sache quantenmechanisch exakt durchrechneten, entdeckten sie die eigenartige «Kantenleitfähigkeit», die sich dann tatsächlich auch im Experiment bestätigte. Die Forscher suchten gezielt nach Kristallstrukturen, die an den Kanten «freie Moden» aufweisen, wie der Quantenphysiker sagt.

Diese Freiheiten lassen den Fluss von Elektronen zu, aber eben nur an den Enden eines solchen quantenmechanischen Systems, im Inneren bleibt alles «zu». Diese Eigenschaft ist dann so fest in den Kristall eingeschrieben, dass man von aussen daran gar nichts ändern kann, etwa durch Verschmutzungen oder Zerkratzen. «Man müsste schon die ganze innere Struktur umkrempeln, um diese Eigenschaft zu zerstören», sagt Neupert.

Bestenfalls haben diese Strukturen so perfekte quantenphysikalische Eigenschaften, dass diese Kanten sogar verlustlos leitend sind. Bislang ist das aber blosse Theorie, «wir haben noch kein Material gefunden, in dem das wirklich funktioniert, vor allem nicht bei Raumtemperatur». Immerhin gibt es in den einschlägigen Materialdatenbanken gegen 10 000 mögliche Kandidaten, die jeweils durch Legierungen noch weiter «feingetunt» werden können.

Mathematische Phantome

Aufregende Möglichkeiten ergeben sich im Zusammenhang mit topologischen Materialien vor allem für das Feld des Quantencomputings (siehe Kasten). Kurz nachdem sie ihre Arbeit veröffentlicht hätten, seien schon erste Vorschläge für elektronische Bauteile mit Bismut eingegangen, erzählt Neupert. Tatsächlich könnte es sein, dass sich dank der neu entdeckten Bismut-Eigenschaft eine einfache Variante zur Schaffung eines Pseudoteilchens auftut. Und damit willkommen zurück in der seltsamen Welt der Quantenphysik: Hier lassen sich Teilchen hervorzaubern, die eigentlich nur mathematische Phantome sind, aber trotzdem sehr nützliche Eigenschaften haben. Und die man sonst nur in den grossen Teilchenbeschleunigern sucht. Eines dieser Teilchen namens Majorana-Fermion gilt als einer der heissesten Kandidaten bei der konkreten Realisierung eines Quantencomputers. Es könnte als simples und leicht zu handhabendes Schaltelement – als sogenanntes Qubit – dienen, wie Modellrechnungen gezeigt haben. Und eben so ein besonderes Fermion könnte plötzlich in Festkörpern auftauchen, wenn man Bismut passend integriert. Doch bis es so weit ist, braucht es noch einiges an Forschung. «Da ist noch viel Kreativität gefragt», meint Neupert. An Ideen fehlt es den Physikern jedenfalls nicht. 

Roland Fischer ist freier Journalist.

Mit Halbwahrheiten rechnen

Die Quantenwelt ist voller Grautöne, sie beschreibt Zustände als Überlagerungen, nicht in Schwarzweiss.  Das ist zwar komplex, mathematisch aber durchaus  beherrschbar. Und es könnte grosse Vorteile mit sich bringen, wenn man das Modell auf die Informatik anwendet. Ein Quantencomputer würde nicht in Bits rechnen, in Nullen und Einsen (und nichts dazwischen), seine Schaltkreise würden undeutliche Zustände – Halbwahrheiten sozusagen – kennen und mit ihnen rechnen können.

Für viele Computeraufgaben, zum Beispiel die Zerlegung einer Zahl in Primfaktoren, brächte das Verfahren ungeahnte Vorteile mit sich. Quantencomputer versprechen um viele Grössenordnungen schneller zu funktionieren als alles, was mit Silikonplatinen gebaut werden kann.  Zumindest in der Theorie – denn so verheissungs voll die Quantencomputerzukunft klingt: Alle bisherigen  Vorschläge funktionieren höchstens als kleine experimentelle Modellsysteme.Die zuverlässige «festkörperliche» Umsetzung quantenmechanischer Schaltkreise wird noch ein wenig auf sich warten lassen.