In der Physikforschung wird intensiv daran gearbeitet, Quantenmaterialen im Computer zu simulieren und so ihre magnetischen oder thermischen Eigenschaften und Phasenübergänge zu berechnen. Das Ziel ist dabei, den Weg für zukünftige Materialien für energieeffiziente IT-Technologie zu ebnen.

Die Computersimulationen sind allerdings sehr zeit- und kapazitätsaufwendig. Die Ursache liegt im Welle-Teilchen-Dualismus und im Vorzeichenproblem der Quanten-Monte-Carlo-Methode, die die Berechnungen ausgesprochen komplex machen.

Das Team von Prof. Dr. Jens Eisert, der die gemeinsame Forschergruppe an der Freien Universität Berlin und HZB leitet, entwickelte ein mathematisches Verfahren, mit dem sich das Vorzeichenproblem soweit möglich verringern lässt. Die Forschungsergebnisse wurden in der Science Advances veröffentlicht.

Die Autoren zeigten, dass sich Festkörpersysteme aus sehr unterschiedlichen Perspektiven betrachten lassen und je nach Perspektive das Vorzeichenproblem eine unterschiedlich große Rolle spielen kann. „Es geht dann darum, das Festkörpersystem so anzupacken, dass das Vorzeichenproblem minimal wird“, erklärt Dominik Hangleiter, Erstautor der Studie.

Die Forscher demonstrierten, dass die mathematische Lösung für einfache Festkörpersysteme mit Spins gut funktioniert. Die Methode ist aber auch auf komplexe Spin-Systeme übertragbar und gibt Hoffnung, dass Materialien mit besonderen Spin-Eigenschaften schon bald berechnet werden können.