Willkommen in der Abteilung Topologische Quantenchemie

Das aktuelle Forschungsgebiet der Abteilung ist das rationale Design, die Synthese und Charakterisierung neuer Quantenmaterialien mit topologischen Eigenschaften (1,2) sowie die Erforschung der Materialklasse der Heusler Verbindungen (3, 4, 5). Hierzu haben wir Designregeln zusammen mit Theoretikern innerhalb und außerhalb unserer Gruppe (Bernevig, et al.) entwickelt. Zum Beispiel kann man alle Eigenschaften, die von Silizium und binären Halbleitern wie HgTe und GaAs bekannt sind, auch in den Heusler Verbindungen XYZ mit der C1_b Struktur finden, allerdings zeigen diese ternären Verbindungen außerdem Eigenschaften wie Supraleitung, Magnetismus oder Kondo Verhalten (1, 6).
Beispiele unserer Arbeiten zur Topologie sind die topologische Quantenchemie (1,2) und neue Fermionen (7) in Kooperation mit Bernevig. Dabei wurden von uns chirale Fermionen (8, 9) realisiert und Weyl Fermionen (10) in nichtmagnetischem NbP (11), TaAs (12, 13, 14) und WP₂ (15, 16, 17) entdeckt. Die axiale Gravitationsanomalie wurde durch Johannes Gooth in Kooperation mit uns in NbP beobachtet und ein Axion Isolator in (TaSe₄)₂I identifiziert (18, 32). Jürgen Kübler und Claudia Felser haben zahlreiche magnetische Weyl Semimetalle vorhergesagt: Mn₃Ge, Mn₃Sn Co₂MnGa and Co₃Sn₂S₃ (19, 20, 21, 22). Diese Eigenschaft wurde an sehr reinen Mn₃Ge (23), Co₃Sn₂S₂ (22, 24, 25) und Co₂MnGa (26, 27) Einkristallen in Kollaboration mit Princeton University, Weizmann Institute und Oxford University nachgewiesen. Alle diese Quantenmaterialien können in Zukunft Bausteine für neue Quantentechnologien sein.
Über viele Jahre haben wir systematisch einen Satz eleganter Designregeln für Heusler Verbindungen (3, 4, 5) entwickelt, welcher uns erlaubt, Bausteine sowohl für Quantentechnologien wie Quantencomputer, als auch für Energiekonversion wie Thermoelektrika oder auch magnetisches Kühlen, Permanentmagnete und Spintronik zu entwickeln.
Heusler Verbindungen mit den Zusammensetzungen X₂YZ und XYZ können aus vielen Elementen des Periodensystems gebaut werden. Die Farben der Elemente (Lego-Periodensystem, im Bild oben) spiegeln die Positionen in den Strukturen L2₁ für X₂YZ und C1_b für XYZ wider. Heusler Verbindungen zeigen viele verschiedene Eigenschaften vergleichbar mit den Perowskiten, sie können z.B. topologische Isolatoren (6), Kondo Systeme, unkonventionelle Supraleiter, sehr weiche, harte (28) und nicht kollineare Magnete (29, 23), Halbleiter, magnetische Metalle mit Riesenmagnetwiderständen, Li-Ionen-Leiter sein. Beispiele mit hohem Anwendungspotential sind die halbleitenden Heusler Verbindungen für die Thermoelektrik (4), die ferrimagnetischen Mn₂YZ Heusler Verbindungen für Permanentmagnete und Skyrmionen (30) und die halbmetallisch ferromagnetischen Co₂YZ Heusler Verbindungen für Spintronik (31, 5, 23). Alle diese von uns entwickelten Konzepte lassen sich sicher auch auf andere Verbindungsklassen übertragen. mehr