Erfolg in der Exzellenzstrategie

Im Wettstreit um die innovativsten Forschungskonzepte in Deutschland war die Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) erfolgreich: Sie hat im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder einen Forschungscluster für Würzburg gewonnen. Dabei hatte sie sich gegen eine starke Konkurrenz zu behaupten.

Erfolgreich war die JMU mit ihrem Antrag auf den Exzellenzcluster „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien“. Darin kooperieren Physik-Teams der JMU und der Technischen Universität Dresden. Gemeinsam forschen sie an neuartigen Materialien, die für viele technologische Anwendungen interessant sind – von der Informationsverarbeitung über die Energieversorgung bis hin zur Medizintechnik.

Würzburger Sprecher des Clusters ist Physikprofessor Ralph Claessen. Die Fördersumme für den Cluster beläuft sich auf voraussichtlich 57 Millionen Euro. Das Geld steht für Personal und Sachmittel zur Verfügung. Der Cluster nimmt seine Arbeit Anfang 2019 auf und läuft vorerst sieben Jahre. Eine Verlängerung um weitere sieben Jahre ist möglich.

Dank des Universitätspräsidenten

„Dieser Erfolg bestätigt erneut die Forschungsstärke unserer Universität“, freut sich Universitätspräsident Alfred Forchel. „Mein herzlichster Dank für die hervorragende Arbeit geht an die Verfasserinnen und Verfasser aller unserer Anträge in den Fakultäten und an unser Research Advancement Centre.“

Details zum erfolgreichen Cluster

Was für die Steinzeit der Stein und für die Bronzezeit die Bronze, das sind für das digitale 21. Jahrhundert neuartige Werkstoffe, die als Quantenmaterie bezeichnet werden. Die Eigenschaften dieser Materialien werden maßgeblich von der Quantenphysik bestimmt; sie bergen ein vielfältiges Anwendungspotenzial in allen modernen Hochtechnologien – von der Informationsverarbeitung über die Energieversorgung bis hin zur Medizintechnik.

Vor einer breiten Anwendung ist allerdings noch grundlegende Forschung nötig. Mit dem jetzt bewilligten Verbund-Exzellenzcluster ct.qmat zur Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien wollen die JMU und die Technische Universität Dresden den Grundstein dafür legen, ein weltweit führendes Zentrum für die Erforschung von Quantenmaterialien zu schaffen. Forschende aus Physik, Chemie und Materialwissenschaften werden gemeinsam daran arbeiten, Quantenmaterialien zu erzeugen, zu verstehen und anzuwenden.

Die faszinierenden Phänomene der Quantenphysik treten normalerweise nur in der Nano-Welt einzelner Atome oder Elektronen auf. Sie verschwinden scheinbar, sobald man es mit vielen Teilchen zu tun hat. Um Quantenzustände in Materialien zu stabilisieren und damit einer Nutzung, beispielsweise in einem Computerchip, zugänglich zu machen, kann sich die Forschung eines Tricks bedienen: der Topologie. Dies ist ein mathematisches Konzept, mit dem jeder schon beim Ausziehen seiner Schuhe Berührung hatte: Ob sich der Schuh beim Ziehen an den Schnürsenkeln öffnet oder ob ein unauflösbarer, also stabiler Knoten entsteht, hängt von der anfänglichen Verschlingung der Enden ab. Krawattenträgern ist das Phänomen auch bekannt.

Dass sich diese Idee auf die Stabilisierung quantenmechanischer Materiezustände übertragen lässt, ist eine noch junge und revolutionäre Entdeckung, die 2016 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde.  Sie hat weltweite Forschungsaktivitäten ausgelöst. Schlüsselbeiträge kamen aus Würzburg, wo Professor Laurens Molenkamp den Quanten-Spin-Hall-Effekt experimentell nachweisen konnte, und aus Dresden, wo Professor Roderich Moessner als Erster magnetische Monopole in Spin-Eis vorhersagte.

Mittlerweile sind Dresden und Würzburg international führende Standorte für die Untersuchung topologischer Materialien, mit jeweils einem Sonderforschungsbereich. Die einzelnen Forschungsschwerpunkte, Expertisen und apparativen Möglichkeiten ergänzen sich: Beispielsweise ist Dresden ein Zentrum für die Erforschung von Quantenmagnetismus, während Würzburg auf dem Gebiet der grundlegenden Halbleiterforschung aktiv ist.

Bereits 2015 gab es unabhängig voneinander an beiden Universitäten Überlegungen zur Einrichtung entsprechender Forschungscluster. Die Idee, die Forschungskompetenzen im Bereich der Quantenmaterialien zu bündeln und einen gemeinsamen Antrag zu stellen, entstand im Frühjahr 2016.

Große Freude bei den Cluster-Sprechern

Heute nun wurden die Bemühungen der vergangenen zwei Jahre von Erfolg gekrönt. Die Freude ist den beiden Clustersprechern, Professor Ralph Claessen vom Physikalischen Institut der JMU, und Professor Matthias Vojta vom Institut für Theoretische Physik der TU Dresden, ins Gesicht geschrieben: „Die Bewilligung von ct.qmat ist ein überragender Erfolg für alle Beteiligten. Unsere Arbeit hat sich ausgezahlt. Der Cluster wird die Festkörperphysik an beiden Standorten weiter stärken und uns hervorragende neue Möglichkeiten für Spitzenforschung eröffnen. Zusammen wollen wir die Grundlagen für Quantentechnologien der Zukunft legen.“

Die vielfältigen Forschungsstrukturen in Würzburg und Dresden bilden dabei die Basis für ein breites Forschungsprogramm. Es reicht von der Materialsynthese über die experimentelle und theoretische Untersuchung topologischer Phänomene sowie ihrer funktionellen Kontrolle bis hin zum Entwurf und Test von Anwendungskonzepten, zum Beispiel für verlustfreie Stromleitung in Computerchips oder zur Realisierung eines Quantencomputers.

Mehrere Forschungsinstitute beteiligt

Das Programm baut auf den existierenden Forschungskooperationen zwischen beiden Universitäten und ihren Partnerinstituten auf und wird diese erheblich erweitern. Zu den am Cluster beteiligten Forschungsinstituten zählen in Dresden das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW), das Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) und das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) sowie in Würzburg das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE).

Kontakt

Prof. Dr. Ralph Claessen, Physikalisches Institut, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, T: +49 931 31-85732, claessen@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Matthias Vojta, Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Dresden, T: +49 351 463 34135

Stichwort Exzellenzstrategie

Mit der 2016 beschlossenen Exzellenzstrategie wollen der Bund und die Länder die international wettbewerbsfähige Spitzenforschung an Universitäten in Deutschland stärken. Dazu wurde ein Wettbewerbsverfahren durchgeführt; für die Begutachtungen und Auswahlverfahren waren und sind die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Wissenschaftsrat zuständig.

In den Exzellenzclustern werden Forschungsprojekte an Universitäten und in Universitätsverbünden gefördert. 63 Universitäten reichten hierfür insgesamt 195 Antragsskizzen ein. In einem ersten Schritt wurden 41 Universitäten mit 88 Anträgen – darunter drei von der JMU im Verbund mit Dresden, Jena und Bayreuth – zur Einreichung einer vollständigen Bewerbung aufgefordert. Von diesen 88 Anträgen wurden nun 57 Cluster an 34 Universitäten in die Förderung aufgenommen.