Abstraktion im Quantenraum

Ein System mit einer Milliarde Teilchen ist für den Normalsterblichen schon nicht mehr vorstellbar. Ganz zu schweigen von einer Milliarde solcher Systeme. Und selbst dann hat man noch nicht die Größenordnung erreicht, mit der sich Ronny Thomale beschäftigt. Die ist noch einmal um den Faktor Zehntausend größer.

„Wir versuchen, das Verhalten von 1023 Teilchen vorherzusagen und Modelle für deren Wechselwirkungen zu entwickeln“, sagt er. Ronny Thomale ist seit diesem Semester neuer Professor am Lehrstuhl für Theoretische Physik der Universität Würzburg. Mit seinen 31 Jahren ist er momentan der jüngste Professor an der Uni; nur in der Medizin gibt es eine Professorin, die noch jünger ist.

Forschung am Supraleiter

„Die theoretische Beschreibung stark korrelierter Elektronenzustände“: So überschreibt Ronny Thomale sein Forschungsgebiet. „Stark korrelierte Elektronenzustände“ finden sich beispielsweise in Supraleitern. Diese Materialien sind derzeit die große Hoffnung der Energiewirtschaft: Bei ihnen sinkt der elektrische Widerstand unterhalb einer bestimmten Temperatur auf null. Strom könnte beispielsweise in einem ringförmigen Supraleiter über lange Zeit verlustfrei kreisen – ein Supraleiter wäre somit ein idealer Speicher. Und mit Kabeln aus diesem Material ließe sich Strom ohne Verluste über beliebig lange Strecken transportieren – wenn es sein muss, sogar von einem Solarkraftwerk in der Wüste bis an einen Würzburger Herd.

Allerdings haben die derzeit bekannten Supraleiter einen gravierenden Nachteil: Sie zeigen diese Eigenschaft erst bei sehr tiefen Temperaturen – aktuell liegt der Rekord bei minus 135 Grad Celsius. Das aber soll sich ändern: „Unsere Forschung an unkonventionellen Supraleitern hat zum Ziel, ein Material zu identifizieren, das im Idealfall bei Zimmertemperatur funktioniert“, sagt Thomale.

Welche Materialien könnten geeignete Kandidaten sein? Wie müssen Atome verschiedener Elemente kombiniert werden, damit diese ungewöhnlichen Effekte auftreten? Über solchen Fragen grübelt Thomale. Die Verhältnisse in realen Systemen versucht er dabei so weit wie möglich zu vereinfachen und zu abstrahieren, bis am Ende ein Modell steht, das andere Physiker im Experiment auf seine Praxistauglichkeit testen können.

Begründete Hoffnung auf den Quantencomputer

Seine Arbeiten helfen nicht nur bei der Entwicklung potenzieller Supraleiter. Auch ein Quantencomputer funktioniert auf der Basis der Effekte, mit denen sich Thomale beschäftigt. „Ein Computer, der Informationen in Form von Quantenbits speichert, manipuliert und ausliest, wäre für bestimmte Rechenprobleme signifikant schneller als ein konventionelles Gerät“, sagt er. Die bisherigen Fortschritte der Wissenschaft in diesem Bereich erlauben seiner Meinung nach „begründete Hoffnung“, dass perspektivisch funktionierende Geräte auf dem Markt erscheinen werden.

Der ERC Starting Grant

Sogenannte „topologische Quantenphasen“ bilden eine Grundlage für Entwicklungen wie Supraleiter und Quantencomputer. Sie stehen auch im Mittelpunkt von Ronny Thomales neuem Projekt, das die Europäische Kommission jetzt bewilligt hat. „Topolectrics – Emergence of Topological Phases“: Unter diesem Titel wird Thomale in den kommenden fünf Jahren seine Forschung fortsetzen und intensivieren. Er erhält dafür aus den Töpfen der EU rund 1,3 Millionen Euro. „Für einen Theoretiker ist das eine bedeutende finanzielle Unterstützung. Damit wird es meiner Gruppe und mir erlaubt, mehrere Ideenlinien gleichzeitig zu verfolgen“, sagt er. Mit Hilfe des Starting Grants plant er, eine Gruppe aufzubauen, die weltweit sichtbar ist.

Berkeley, Princeton, Stanford und Lausanne: So hießen Ronny Thomales Stationen vor dem Ruf an die Universität Würzburg. Aus seiner Sicht war dieser Wechsel konsequent. „Die Würzburger Physik hat einen sehr guten Ruf, gerade was mein Forschungsgebiet betrifft“, sagt er. Immerhin hat der Entdecker des Quanten-Hall-Effekts, der Nobelpreisträger Klaus von Klitzing, elf Jahre lang in Würzburg geforscht und dabei die Grundlage seiner Entdeckung geschaffen. Dieser Effekt etablierte den Grundstein für das Forschungsfeld, mit dem sich Thomale befasst.

Topologische Isolatoren

Was noch wichtiger ist: An der Universität Würzburg lehrt und forscht einer der derzeit führenden Physiker auf dem Gebiet der topologischen Isolatoren, der Experimentalphysiker Laurens Molenkamp. Er und seine Arbeitsgruppe hatten 2007 gezeigt, dass topologische Isolatoren nur an ihrer Oberfläche Strom leiten, nicht jedoch im Inneren. In dünnen Schichten einiger dieser Materialien besteht der Randstrom aus genau zwei Kanälen, in denen sich einzelne Elektronen bewegen. Die Flussrichtung in den beiden Kanälen ist entgegengesetzt, genau wie die Spin-Ausrichtung der Elektronen. Dieses Verhalten nennt man den Quanten-Spin-Hall-Effekt, in Anlehnung an den Quanten-Hall-Effekt.

Für die theoretische Voraussage von topologischen Isolatoren und deren experimentelle Bestätigung sind Molenkamp und dessen US-amerikanischen Kollegen Charles Kane und Shoucheng Zhang bereits mehrfach ausgezeichnet worden.

Die mikroskopischen Prozesse in solchen topologischen Phasen besser verstehen: Dazu will Ronny Thomale mit seiner Arbeit beitragen. Mit seinen Modellen will er erklären, wie solche Phasen entstehen und wie sie am ehesten zu erreichen sind. Den Experimentalphysikern will er auf diese Weise den „Bauplan“ für Materialien liefern, mit denen sie den Traum vom Quantencomputer und von der Supraleitung bei Raumtemperatur wahr machen können. Die fundamentale Motivation für seine Arbeit sieht Thomale jedoch eigentlich anderswo: “Die entstehende Erkenntnis im Prozess meiner physikalischen Forschung ist eine der größten Freuden meines Lebens.”

Zur Person

Ronny Thomale wurde 1982 in Münster geboren; aufgewachsen ist er in Karlsruhe. An der dortigen Universität studierte er Physik mit dem Nebenfach Informatik. Mit einem DAAD-Forschungsstipendium ausgestattet, verbrachte er ein halbes Jahr an der UC Berkeley. 2008 wurde Thomale mit einer Arbeit über „Fractional Statistics in low-dimensional spin systems“ promoviert. Weitere Stationen waren Princeton und das Stanford Institute for Theoretical Physics. Vor seinem Wechsel nach Würzburg war Thomale Assistenzprofessor an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Seit September 2013 ist er Professor am Institut für Theoretische Physik I der Universität Würzburg.

Kontakt
Prof. Dr. Ronny Thomale, T (0931) 31-85712, rthomale@physik.uni-wuerzburg.de