Zukunftstechnologien

Forschende haben 3-D-Bilder winziger Objekte erzeugt und konnten dabei sogar 25 Nanometer grosse Details (1 Nanometer = 1 Millionstel eines Millimeters) sichtbar machen. Dabei haben sie nicht nur die Form der Untersuchungsgegenstände bestimmen können, sondern auch gezeigt, wie ein bestimmtes chemisches Element (Kobalt) darin verteilt ist und ob es in einer chemischen Verbindung oder in Reinform vorliegt.

Germanium-Zinn-Halbleiterlaser lässt sich direkt auf Siliziumchips aufbringenWinzige Laser, die in Computerchips aus Silizium eingebaut werden, sollen in Zukunft die Kommunikation innerhalb der Chips und zwischen verschiedenen Bauteilen eines Computers beschleunigen. Lange suchten Experten nach einem dafür geeigneten Lasermaterial, das sich mit dem Fertigungsprozess von Siliziumchips vereinbaren lässt. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des Paul Scherrer Instituts PSI haben hier nun einen wichtigen Fortschritt erzielt.

Forschenden am Paul Scherrer Institut PSI ist es gelungen, winzige magnetische Strukturen mit Laserlicht umzuschalten und die Veränderung zeitlich zu verfolgen. Dabei blinkte kurz ein nanometergrosser Bereich auf, der skurrilerweise an das Fledermaus-Symbol von Batman erinnert. Die Forschungsergebnisse könnten die Datenspeicherung auf Festplatten kompakter, schneller und effizienter machen.

Neuer Effekt möglicherweise wichtig für grundsätzliches VerständnisEin international besetztes Forschungsteam hat in Experimenten am PSI ein neues unerwartetes Verhalten in kupferbasierten Hochtemperatursupraleitern beobachtet. Die Erklärung des neuen Phänomens à einer unerwarteten Form gemeinsamer Bewegung der elektrischen Ladungen à stellt für die Forschenden eine grosse Herausforderung dar. Sollte sie gelingen, könnte das einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung an sich darstellen.

Der Bedarf an immer schnelleren und effizienteren Bauteilen für die Elektronik wächst rasant. Dafür braucht es neue Materialien mit neuen Eigenschaften. Hierbei spielen Oxide, insbesondere auf Basis von Strontiumtitanat (SrTiO₃) eine wichtige Rolle. Nun wurde im Rahmen einer internationalen Forschungskooperation unter Leitung des PSI nachgewiesen, dass diese Materialien ein Verhalten zeigen, das für die Spintronik nützlich sein könnte.

Forschende des Paul Scherrer Instituts haben mithilfe kurzer Lichtblitze aus einem Laser die Eigenschaften eines Materials kurzzeitig so deutlich verändert, dass gewissermassen ein neues Material entstanden ist und die Veränderungen am Röntgenlaser LCLS in Kalifornien untersucht. Nach der Inbetriebnahme des PSI-Röntgenlasers SwissFEL werden solche Experimente auch am PSI möglich sein.

Forschende des PSI, der EPFL und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben gezeigt, dass das Material SmB₆ alle Eigenschaften eines topologischen Isolators zeigt, also eines Materials, an dessen Oberfläche polarisierte Ströme fliessen können. Das Besondere an diesem Material ist, dass die Eigenschaft sehr robust ist à an der Materialoberfläche fliessen nur polarisierte Ströme und die Eigenschaft bleibt auch bei kleinen Unregelmässigkeiten in der Struktur oder Zusammensetzung des Materials erhalten. Polarisierte Ströme sind für die Spintronik à Elektronik, die den Elektronenspin nutzt à wichtig.

Vorgänge in Sternen mit Isotopen aus dem PSI nachgestelltIn den Forschungsanlagen des Paul Scherrer Instituts entstehen Isotope, die sonst nur in explodierenden Sternen à den Supernovae à existieren. Damit lassen sich im Labor Vorgänge nachstellen, wie sie im Inneren der Sterne stattfinden. So hat ein internationales Forschungsteam das Titan-Isotop Ti-44 verwendet, um am CERN in Genf einen solchen Vorgang zu untersuchen. Dabei wurde deutlich, dass dieser weniger effektiv ist als bisher angenommen und man deswegen die bisherigen theoretischen Berechnungen von Abläufen in den Sternen wird korrigieren müssen.

Forscher von ETH und PSI zeigen, wie sich in neuartigen Materialien die magnetische Struktur schnell ändern lässt. Der Effekt könnte in zukünftigen leistungsfähigen Festplatten Anwendung finden.

Meist sieht man Supraleitung und Magnetfelder als Konkurrenten à sehr starke Magnetfelder zerstören in der Regel den supraleitenden Zustand. Physiker des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun gezeigt, dass in dem Material CeCoIn₅ ein neuartiger supraleitender Zustand erst bei starken externen Magnetfeldern entsteht und dann durch Veränderung des Feldes manipuliert werden kann. Das Material ist auch schon bei schwächeren Feldern supraleitend, bei starken Feldern entsteht aber ein zusätzlicher zweiter supraleitender Zustand, so dass gleichzeitig im selben Material zwei unterschiedliche supraleitende Zustände existieren.

Im supraleitenden Material La_1.77Sr_0.23CuO₄ verhält sich oberhalb der Übergangstemperatur ein Teil der Elektronen wie in einem konventionellen Metall, ein anderer Teile wie in einem unkonventionellen à je nach Bewegungsrichtung. Das zeigen Untersuchungen an der SLS. Die Entdeckung dieser Anisotropie liefert einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung. Ausserdem wird man diesen Effekt in zukünftigen Experimenten und Theorien berücksichtigen müssen.

Ein Terahertzlaser, der am Paul Scherrer Institut entwickelt worden ist, macht es möglich, die Magnetisierung eines Materials in Zeiträumen von Pikosekunden gezielt zu steuern. In ihrem Experiment leuchteten die Forscher mit extrem kurzen Lichtpulsen aus dem Laser auf ein magnetisiertes Material. Das magnetische Feld des Lichtpulses konnte die magnetischen Momente aus ihrer Ruhelage auslenken und zwar so, dass sie mit einer geringen Verzögerung exakt dem Verlauf des Magnetfeldes des Lasers folgten. Der in dem Experiment verwendete Terahertzlaser ist einer der stärksten seiner Art weltweit.

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI haben dünne, kristalline Schichten des Materials LuMnO₃ hergestellt, die gleichzeitig ferromagnetisch und antiferromagnetisch sind. Die LuMnO₃-Schicht ist in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche zum Trägerkristall ferromagnetisch; mit zunehmendem Abstand nimmt sie die für das Material sonst übliche antiferromagnetische Ordnung an, während der Ferromagnetismus immer schwächer wird. Die Möglichkeit, zwei verschiedene magnetische Ordnungen innerhalb eines Materials zu erzeugen, könnte von grosser technischer Bedeutung sein.

Wissenschaftler untersuchen an Nano-Stäbchen, wie sich Materie ordnetUm die magnetischen Wechselwirkungen zwischen Atomen sichtbar zu machen, haben Forschende am PSI ein Modellsystem entwickelt. Es ist so gross, dass es sich bequem unter einem Röntgenmikroskop beobachten lässt und imitiert doch die kleinsten Bewegungen in der Natur. Das Modell: Ringe aus jeweils sechs nanometergrossen magnetischen Stäbchen. Bei Raumtemperatur schwanken die Magnetisierungsrichtungen der einzelnen kleinen Stäbchen ständig und auf natürliche Weise. Die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Stäbchen konnten die Wissenschaftler deshalb in Echtzeit beobachten.

Forscher des PSI und der ETH Zürich haben mit Kollegen vom Politecnico di Milano in der aktuellen Ausgabe der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Nature Photonics" eine Methode erarbeitet, einen Laser zu entwickeln, der schon bald in den neuesten Computern eingesetzt werden könnte. Damit könnte die Geschwindigkeit, mit der einzelne Prozessorkerne im Chip miteinander kommunizieren, drastisch erhöht werden. So würde die Leistung der Rechner weiter steigen.

An Freie-Elektronen-Röntgen-Lasern wie dem zukünftigen SwissFEL des Paul Scherrer Instituts PSI sollen unter anderem die Strukturen von komplexen Nanoteilchen bis hin zu Biomolekülen untersucht werden. Dabei ist nicht nur die eigentliche Messung eine Herausforderung, sondern auch die Rekonstruktion der Struktur aus den Messdaten. Forscher des PSI haben nun einen optimierten mathematischen Weg aufgezeigt, wie man aus so gewonnen Messdaten eine deutlich bessere Auflösung bei der Bestimmung der Struktur eines einzelnen Teilchens erhält. Das Verfahren wurde an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI erfolgreich getestet.

Am liebsten würden sie durch das Metallgehäuse der Kupplung hindurchsehen, die Entwickler der Firma LuK (D). Sie möchten beobachten, wie sich das Öl verteilt, das die Kupplung schmiert und kühlt. Eine transparente Scheibe ist aber rasch verschmutzt und Röntgenstrahlen zeigen nur das Metall. Die Ingenieure wandten sich deshalb an die Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts, die mit Neutronen das Metall durchleuchteten und das Schmieröl sichtbar machten. Vom Resultat waren alle überrascht: Nur drei von acht Lamellen waren ausreichend geschmiert.

Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts haben zusammen mit chinesischen und deutschen Forscherkollegen neue Erkenntnisse zu einer Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern gewonnen. Die experimentellen Ergebnisse aus der Grundlagenforschung deuten darauf hin, dass magnetische Wechselwirkungen für das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung von zentraler Bedeutung sind. Dieses Wissen könnte in Zukunft dazu beitragen, Supraleiter mit besseren technischen Eigenschaften zu entwickeln.

Mit Röntgenstrahlen kann die Nanostruktur von so unterschiedlichen Objekten untersucht werden, wie einzelne Zellen oder magnetische Datenträger. Hochauflösende Bilder sind jedoch nur möglich, wenn sowohl Mikroskop als auch das Untersuchungsobjekt extrem stabil sind. Forscher der TU München des PSI zeigten nun, wie man diese Bedingungen lockern kann, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen. Auch hochdynamische Systeme, wie z.B. magnetische Fluktuationen, die die Lebensdauer von Daten auf Festplatten einschränken, können mit der neuen Methodik untersucht werden.

Forscher des Paul Scherrer Instituts und des Indian Institute of Science Education and Research haben in einer Anordnung magnetischer Moleküle gezielt den Magnetismus in jedem zweiten Molekül „abschalten“ können, so dass ein magnetisches Schachbrettmuster entstand. Darin konnten die Forscher gezielt den Quantenzustand eines Teils der Moleküle manipulieren. Die Möglichkeit, die Zustände einzelner Quantenobjekte gezielt zu verändern, ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern.

Zieht man ein Stück Silizium auseinander, erzeugt man in dessen Inneren eine mechanische Spannung, die die elektronischen Eigenschaften des Materials deutlich verbessern kann. Forscher des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich haben mit einem neuen Verfahren in einer Siliziumschicht extrem verspannte Nanodrähte erzeugt. Für ein Material, das als Grundlage für Elektronikbauteile dienen kann, wurde dabei die bislang höchste mechanische Spannung gemessen. Ziel ist es, auf Basis solcher Drähte leistungsfähige Transistoren für Mikroprozessoren herzustellen.

Forscher des Paul Scherrer Instituts haben untersucht, wie man das Halbleitermaterial Germanium dazu bringen könnte, Laserlicht auszusenden. Als Lasermaterial könnte Germanium mit Silizium die Grundlage für neuartige Computerchips bilden, in denen Informationen zum Teil in Form von Licht übertragen würden. Diese Technologie würde es ermöglichen, den Datenfluss auf Chips zu revolutionieren und so die Leistung der Elektronik weiter voranzutreiben.

Eine neue Röntgenmethode erlaubt Einblicke in die magnetischen Eigenschaften einzelner Atomlagen eines Materials, das die Grundlage einiger Hochtemperatursupraleiter bildet. Dabei zeigte sich, dass sich die atomar dünnen Materialschichten in den magnetischen Eigenschaften erstaunlich wenig von makroskopisch dicken Materialproben unterscheiden. In Zukunft könnte man so Vorgänge in sehr dünnen Supraleitermaterialien erforschen und zum Verständnis des Phänomens der Hochtemperatursupraleitung beitragen.