Quanten-Crossover des klassischen topologischen Schutzes

• Antragsteller: Dr. Thore Posske
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420120155

Topologische magnetische Strukturen wie magnetische Domänenwände und magnetische Skyrmionen sind vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von magnetischen Speichermedien. Im Gegensatz zur aktuell verwendeten Technologien sind gespeicherten Informationen in diesen Strukturen unempfindlich gegenüber kontinuierlichen Veränderungen durch Umgebungsrauschen. Quanteneffekte werden als verheerend für diesen topologischen Schutz wahrgenommen, weil durch sie topologisch nichttriviale Strukturen zu trivialen tunneln können. Es ist wichtig zu wissen, dass topologische Schemata für klassische Systeme und Quantensysteme fundamental unterschiedlich sind, in den Sinn, dass sich Quantentopologie mit komplexen Vektorbündeln beschäftigt, die a priori unabhängig von der klassischen magnetischen Realraumstruktur sind. Dennoch existiert ein Interaktionsbereich, der sich einer systematischen wissenschaftlichen Analyse bisher entzogen hat. Wenn klassische topologische Systeme herunterskaliert werden, ergeben sich zwei interessanten Fragen. Erstens, wie kann die klassische Topologie gegen den verheerenden Einfluss der aufkommenden Quanteneffekte geschützt werden? Zweitens, Induziert die klassische Topologie systematisch topologische Quanteneffekte? Kürzlich habe ich archetypisch topologische Quanteneffekte in helikal magnetisierten Quantenspinketten gefunden, wie einen nichttrivialen Berryzusammenhang, Kramersentartung und eine adiabatische Quasiteilchenpumpe. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass eine stabile magnetische Helix selbst im tiefen Quantenregime an speziellen Parameterpunkten geschützt ist. Auf der Basis dieser Resultate vermute ich ein zu Grunde liegendes allgemeines Prinzip, dass die klassische Topologie mit den induzierten topologischen Quanteneffekten in Verbindung setzt und welches schützende Parameterkonfigurationen identifiziert an denen die klassische Topologie immun gegen Quanteneffekte ist. Mit diesem Antrag ziele ich darauf ab, dieses Prinzip aufzuzeigen. Weiterhin beabsichtige ich zu zeigen, wie die induzierten topologischen Quanteneffekte spinkettenbasiertes Quantenrechnen ermöglichen und einen Teil der Haldaneschen Vermutung beweisen. Damit möchte ich eine konstruktive Sicht auf die Rolle von Quanteneffekten für die klassische Topologie etablieren. Die Erweiterung der Resultate auf komplexere topologische magnetische Strukturen bereitet eine neue Grundlage für topologische Quanteneffekte mit möglicher technologischer Anwendung. Ultimativ können die Resultate den Weg bereiten, um topologische magnetische Speichermedien, basierend auf, z.B., Domänenwänden, magnetischen Helices oder magnetischen Skyrmionen, für topologisch geschütztes Quanten rechnen zu verwenden. Zusätzlich könnten man diese Strukturen immens verkleinern, ohne ihre klassische Funktionalität zu beeinträchtigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen