Neue Materialen für die Technologien der Zukunft
Foto: Möbiusband vor dem Periodensystem der Elemente. © MPI-FKF
Die Topologie ist ein faszinierendes Teilgebiet der Mathematik, das sich mit den Eigenschaften von Formen befasst, die gleich bleiben wenn man sie dehnt, verdreht oder verbiegt. Ein einfaches Beispiel von nichttrivialer Topologie ist das Möbiusband — eine Schleife mit einer Drehung, die nur eine Seite und einen Rand hat.
Die Konzepte der Topologie lassen sich auf Quantenmaterialien anwenden, um deren elektronisches Verhalten zu verstehen. Materialien mit nichttrivialer Topologie besitzen besondere Eigenschaften, insbesondere quantisierte Ströme und Oberflächenzustände, die durch kontinuierliche Verformungen, z. B. Dehnung, Stauchung oder Verdrehung, nicht verändert werden. Ähnlich wie beim Möbiusband sind in topologischen Materialien die Elektron-Bänder verdreht, was zu ungewönlich robusten Strömen am Rand oder an der Oberfläche des Materials führt. Die Robustheit dieser Ströme erhöht die Stabilität und Zuverlässigkeit von Sensoren und Computerchips, die mit diesen Materialien gebaut werden. Deswegen können topologische Materialien eine wichtige Rolle spielen für energiesparsame und hochpräzise Technologien der Zukunft. Schon heute werden topologische Heterostrukturen aus Galliumarsenid dazu verwendet, um Stromwiderstände präzise zu kalibrieren.
Aus Papier fertigen wir gemeinsam mehrfach gedrehte Möbiusbänder und untersuchen ihre topologischen Eigenschaften. Wir stellen verschieden topologische Materialen vor, die am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung erforscht werden.
Abteilung „Quanten-Vielteilchensysteme“ – Ebene 5, Treppenhaus 1, Kaffeeecke