Zukunftstechnologien

Oles Sendetskyi, Gewinner eines Founder Fellowships am Paul Scherrer Institut PSI, will die Umpolung von Nanomagneten nutzen, um eine nachhaltige Stromquelle für Kleingeräte zu entwickeln.

Keine Hinweise auf Dunkle Materie aus Axionen – Ergebnis eines Experiments am Paul Scherrer Institut PSI schränkt Theorien zur Natur Dunkler Materie weiter ein.

Zum ersten Mal haben Forschende die Richtungen der Magnetisierung in einem dreidimensionalen magnetischen Objekt sichtbar gemacht. Die kleinsten Details in ihrer Visualisierung waren dabei zehntausend Mal kleiner als ein Millimeter. In der sichtbar gemachten magnetischen Struktur stach eine Art von Muster besonders hervor: magnetische Singularitäten namens Bloch-Punkte, die bisher nur in der Theorie bekannt waren.

Ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser (FEL) kann extrem schnelle Prozesse sichtbar machen. Ende 2017 werden die ersten Pilotexperimente am Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL am Paul Scherrer Institut PSI stattfinden. Zwei aktuelle Publikationen in Science und Nature Communications zeigen, welch herausragende Wissenschaft an einer solchen Anlage möglich ist. Die Arbeiten wurden am Röntgenlaser LCLS in Kalifornien durchgeführt. Mittlerweile sind zwei der führenden Autoren als Wissenschaftler ans PSI übergesiedelt, um ihre Erfahrung beim Ausbau des SwissFEL einzubringen.

Materialforschende des PSI haben eine Methode entwickelt, die entscheidende Einblicke in die Lade- und Entladeprozesse von Lithium-Schwefel-Akkus ermöglichen. Die Methode offenbarte zudem: Mit Quarzpulver als Akku-Zusatz steigt die darin verfügbare Energie und der allmählich eintretende Kapazitätsverlust fällt deutlich schwächer aus.

Ob Materialien für die Elektronik der Zukunft, Batterien oder Schwerter aus der Bronzezeit – seit 20 Jahren nutzen Forschende verschiedener Disziplinen die Spallations-Neutronenquelle SINQ des Paul Scherrer Instituts PSI für ihre Untersuchungen. Bei einem Symposium am 18. April blickten Forschende auf die Erfolge der Anlage zurück und stellten Pläne für eine Modernisierung vor.

Forschende des PSI haben detaillierte 3-D-Röntgenbilder eines handelsüblichen Computerchips erstellt. In ihrem Experiment haben sie ein kleines Stück aus dem Chip untersucht, das sie zuvor herausgeschnitten hatten. Diese Probe blieb dabei während der Messung unbeschädigt. Für Hersteller ist es eine grosse Herausforderung, zu bestimmen, ob der Aufbau ihrer Chips am Ende den Vorgaben entspricht. Somit stellen diese Ergebnisse eine wichtige Anwendung eines Röntgen-Tomografieverfahrens dar, das die PSI-Forschenden seit einigen Jahren entwickeln.

Ein neues Material könnte zur Grundlage zukünftiger Datenspeicher werden, denn im Vergleich zu heutigen Festplatten liesse sich damit der Energiebedarf in der Datenspeicherung deutlich senken. Es handelt sich um ein Material aus der Klasse der sogenannten magnetoelektrischen Multiferroika und zeigt die nötigen magnetischen Eigenschaften auch bei Zimmertemperatur.

Das Material Neodym-Nickel-Oxid ist je nach seiner Temperatur entweder ein Metall oder ein Isolator. Die Möglichkeit, diesen Übergang elektrisch zu steuern, macht das Material zu einem möglichen Kandidaten für Transistoren in modernen elektronischen Geräten. Mittels einer ausgeklügelten Weiterentwicklung der Röntgenstreuung konnten Forschende am Paul Scherrer Institut PSI nun die Ursache dieses Übergangs nachvollziehen: Rund um die Sauerstoffatome sortieren sich die Elektronen um.

Christian Rüegg erhält die angesehene europäische Förderung ERC Consolidator Grant. Mit dem Geld will er weiter erforschen, wie die kleinsten magnetischen Bausteine der Materie wechselwirken.

Dank einer hochmodernen Untersuchungsmethode ist es Forschenden gelungen, in Transformatoren hineinzuschauen und die magnetischen Domänen im Inneren des Trafo-Eisenkerns bei der Arbeit zu beobachten. Transformatoren, kurz Trafos, sind unerlässlich für die Stromversorgung von Industrie und Haushalten. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Untersuchungsmethode sich gewinnbringend zur Entwicklung effizienterer Trafos einsetzen lässt.

Das Deuteron ist – genau wie das Proton – kleiner als bisher gedachtDas Deuteron – einer der einfachsten Atomkerne, bestehend aus nur einem Proton und einem Neutron – ist deutlich kleiner als bislang gedacht. Dieses neue Forschungsergebnis passt zu einer Studie aus dem Jahr 2010, bei dem ebenfalls am Paul Scherrer Institut PSI das Proton vermessen wurde und ebenfalls ein kleinerer Wert gefunden wurde als erwartet. Das Ergebnis von 2010 begründete das seither sogenannte Rätsel um den Protonradius.

Forschende am PSI haben einen Detektor namens POLAR entwickelt. Er soll extreme Energieausbrüche aus den Tiefen des Universums aufspüren und untersuchen. Im kommenden September wird POLAR mit einer chinesischen Weltraummission ins All fliegen.

Forschende des PSI und der ETH Zürich haben ein sehr einfaches und kostengünstiges Verfahren entwickelt, um die Leistung herkömmlicher Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu steigern. Ob Armbanduhr, Smartphone, Laptop oder Auto, für alle Anwendungsbereiche lassen sich so die Akkus optimieren. Demnach hält eine Ladung nicht nur deutlich länger, auch das Aufladen erfolgt schneller.

Das erst im vergangenen Jahr entdeckte Weyl-Fermion bewegt sich in Materialien praktisch ohne Widerstand. Nun zeigen Forscher einen Weg, wie man es in elektronischen Bauteilen einsetzen könnte.

Forschende des Paul Scherrer Instituts haben in grosser Zahl detaillierte Modelle des Matterhorns erzeugt, die jeweils weniger als ein Zehntel eines Millimeters gross sind. Damit führen sie vor, wie so feine 3-D-Objekte in Serie hergestellt werden könnten. Materialien, deren Oberfläche mit einem Muster aus solchen winzigen 3-D-Strukturen versehen ist, haben oft besondere Eigenschaften, die beispielsweise helfen könnten, den Verschleiss von Maschinenbauteilen zu reduzieren.

Computer und andere elektronische Geräte haben heute einen beträchtlichen Anteil am weltweiten Energieverbrauch. Mit den heute genutzten Technologien lässt sich dieser Verbrauch aber kaum senken, sodass die Chips in den energiesparenden Geräten der Zukunft aus neuartigen Materialien bestehen werden. Neueste Forschungsergebnisse aus dem Paul Scherrer Institut PSI geben Hinweise darauf, wie man zu solchen Materialien kommen könnte.

Normalerweise verdrängen Supraleiter angelegte Magnetfelder. Im Inneren von Typ-II-Supraleitern bilden sich aber dünne Kanäle, sogenannte Flussschläuche, durch die das Magnetfeld geleitet wird, während das restliche Material feldfrei und supraleitend bleibt. In dem Metall Niob bündeln sich die Flussschläuche zu kleinen Inseln zusammen und bilden dabei komplexe Muster, welche in ähnlicher Form zahlreich in der Natur anzutreffen sind. Forschende des PSI und der TU München haben als erste Neutronenexperimente zur Untersuchung dieser Strukturen in dem Metall Niob durchgeführt und dabei die Verteilung der Inseln im Detail sichtbar gemacht.

Wenn Brücken, Staumauern und andere Bauwerke aus Beton nach einigen Jahrzehnten von dunklen Rissen durchzogen sind, dann ist die sogenannte Betonkrankheit die Ursache. Wie das Material, das in diesen Rissen entsteht, auf der Ebene einzelner Atome aufgebaut ist, haben jetzt Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der Empa entschlüsselt - und dabei eine bislang unbekannte kristalline Anordnung der Atome entdeckt.

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI konnten mit handelsüblicher Kamera-Technologie Terahertzlicht visualisieren. Damit eröffnen sie nicht nur eine kostengünstige Alternative zum bisher üblichen Verfahren. Auch die Bildauflösung konnten sie im Vergleich um das 25-Fache verbessern. Durch seine besonderen Eigenschaften ist Terahertzlicht für viele Anwendungen interessant. Am PSI wird es bei den Experimenten am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL zum Einsatz kommen.

Aus einer Milliarde winziger Magnete haben Forschende am Paul Scherrer Institut PSI ein künstliches Material erschaffen, ein sogenanntes Metamaterial. Überraschenderweise zeigt sich nun, dass seine magnetischen Eigenschaften sich je nach Temperatur ändern, so dass es verschiedene Zustände einnehmen kann; ähnlich wie Wasser einen gasförmigen, flüssigen und festen Zustand hat.

Ein international zusammengesetztes Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, wie man von Natur aus unmagnetische Metalle wie etwa Kupfer magnetisch machen kann. Die Entdeckung könnte helfen, neuartige Magnete für unterschiedlichste technische Anwendungen zu entwickeln. Messungen, die für das Verständnis des Phänomens entscheidend waren, wurden am PSI durchgeführt. Nur hier lassen sich magnetische Vorgänge im Inneren von Materialien in dem nötigen Detail untersuchen.