Miguel Marques aus dem Interdisciplinary Center for Advanced Materials Simulation ICAMS ist an dem Konsortium beteiligt.
Materialforschung Projekt entwickelt Supraleiter der nächsten Generation
Ein internationales Forschungsteam erhält mehrere Millionen Dollar für die Entwicklung und Erprobung von Supraleitern der nächsten Generation durch Künstliche Intelligenz und Quantengeometrie.
Die Kavli-Stiftung, die Klaus Tschira Stiftung und der Philanthrop Kevin Wells haben eine gemeinsame Initiative ins Leben gerufen, um die Entwicklung supraleitender Materialien der nächsten Generation voranzutreiben: Mit einer Investition in Höhe von mehreren Millionen Dollar wird ein internationales Team von Wissenschaftlern neue Supraleiter entwerfen und testen, die auf Konzepten der Quantengeometrie basieren. Künstliche Intelligenz (KI) wird eingesetzt, um einzigartige Materialeigenschaften und -strukturen vorherzusagen, mit denen revolutionäre Supraleitungseigenschaften erreicht werden könnten. Beteiligt ist Prof. Dr. Miguel Marques, Inhaber des Lehrstuhls Künstliche Intelligenz für Integrierte Materialforschung der Ruhr-Universität Bochum.
Die Kollaboration unter der Leitung von Dr. Päivi Törmä von der Aalto-Universität in Finnland will Durchbrüche in der Quantengeometrie in 3D-Materialien (QG3D) erzielen. „Das Projekt könnte zu neuen Supraleitern führen, die bei noch nie dagewesenen hohen Temperaturen funktionieren und unser Verständnis der Rolle der Quantengeometrie vertiefen“, so Törmä über die Auswirkungen der Arbeit.
Quantengeometrie mit hohem Entdeckungspotenzial
„Wir sind begeistert, dass wir gemeinsam mit der Klaus Tschira Stiftung und Kevin Wells diese herausragende Zusammenarbeit unterstützen können“, sagte Jeff Miller, Programmbeauftragter für Nanowissenschaften bei der Kavli Stiftung. „Das wissenschaftliche Entdeckungspotenzial des Konzepts der Quantengeometrie könnte neue Wege zur Supraleitung und anderen Quanteneffekten eröffnen. Diese Art von Forschung könnte sehr bedeutende praktische Auswirkungen haben, wie zum Beisipel die Entdeckung von Materialien, die den Energiebedarf für rechenintensive Prozesse verringern.“
„Um etwas zu bewirken, ist es oft notwendig, mit Grundlagenforschung zu beginnen. Diese Zusammenarbeit wird das grundlegende Verständnis und die Anwendung von Konzepten der Quantengeometrie in der Quantenmaterialforschung und insbesondere in der Supraleitung voranbringen. Mit einer einzigartigen Kombination von Fachwissen in den Bereichen Materialsynthese, experimentelle Analyse, Theorie und maschinelles Lernen ist die Zusammenarbeit gut aufgestellt, um Durchbrüche bei supraleitenden Materialien der nächsten Generation zu erzielen“, so Kevin Wells.
Das Konzept der Quantengeometrie ist in der Physik nicht neu. Aber man glaubte bisher, dass Quantengeometrieeffekte, die mit der sogenannten Quantenmetrik zusammenhängen, nicht zu leicht beobachtbaren Phänomenen in Festkörpersystemen führen würden. Dieser Glaube begann sich zu ändern, als Törmä und Kollegen erkannten, dass sich die Wellenfunktionen von Elektronen unter korrekten quantengeometrischen Bedingungen theoretisch auf interessante Weise in Festkörpermaterialien verflechten können, was zu einer neuen Art von Supraleitung führt. Als kurz darauf bei Experimenten mit verdrilltem zweischichtigem Graphen unerklärliche neue Eigenschaften beobachtet wurden, bot sich die Quantengeometrie als mögliche Erklärung für einige der Effekte an.
Kooperationspartner
„Um das Gebiet der Quantengeometrie voranzubringen, müssen drei wichtige Hindernisse beseitigt werden“, sagte Dr. Saskia Haupt, Leiterin des Forschungsprogramms der Klaus Tschira Stiftung. „Erstens wird mehr theoretische Arbeit benötigt, um die Richtung der Quantengeometrieforschung zu bestimmen. Zweitens müssen Experimente mit 2D-Materialien wie Graphen fortgesetzt werden, um quantengeometrische Phänomene besser zu charakterisieren. Drittens, und das ist vielleicht das Schwierigste, müssen 3D-Materialien mit quantengeometrischen Effekten entdeckt und synthetisiert werden, und genau hier setzt das QG3D-Projekt an.“
Die Stiftung setzt ihre Prioritäten auf Forschung, Bildung und Wissenschaftskommunikation. Im Bereich der Grundlagenforschung ist es das Ziel der Stiftung, herausragende und kreative Ideen in den Bereichen Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften zu unterstützen, die auf signifikante Fortschritte in der Wissenschaft abzielen und das Potenzial haben, dauerhafte Auswirkungen auf die Gesellschaft zu haben. „Während andere Geldgeber vor Projekten zurückschrecken, die als zu riskant gelten, setzt die Stiftung genau hier an“, betont Haupt.
Förderung
Mit dieser Förderung wollen die Forscher neue 3D-Materialien mit quantengeometrischen Eigenschaften entdecken und synthetisieren. Obwohl solche Synthesebemühungen eine Herausforderung darstellen, könnte sich der Aufwand lohnen: Um die vorhergesagten Effekte bei hohen Temperaturen (einschließlich Raumtemperatur) zu beobachten, sind hohe Elektronendichten erforderlich, und 3D-Strukturen werden benötigt, um die hohe Elektronendichte zu erreichen.
Um die Arbeiten zu beschleunigen, wird das Team KI- und maschinelle Lernmethoden einsetzen, um die Auswahl der zu synthetisierenden Materialien zu verfeinern. Theoretische Ergebnisse und die Charakterisierung der synthetisierten Materialien werden die Algorithmen des maschinellen Lernens informieren, und die Iteration wird zur Identifizierung von Materialien mit den gewünschten Eigenschaften der Quantengeometrie führen.
