Zukunftstechnologien

Wie kann es sein, dass zwei Materialien, die keinen Strom leiten, eine elektrisch leitende Schicht bilden, wenn man sie miteinander verbindet? Seit Entdeckung dieses Effekts 2004 haben Forschende verschiedene Ansätze entwickelt, um diese Frage zu beantworten. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Paul Scherrer Instituts die Kontroverse wohl entschieden.

Physiker eines internationalen Forschungsteams konnten am PSI beobachten, wie sich Eigenschaften eines Elektrons von diesem Elektron abtrennen. So entstanden zwei voneinander getrennte Teilchen, die jeweils eine bestimmte Eigenschaft des Elektrons tragen und sich unabhängig voneinander im Ursprungsmaterial, in dem sie erzeugt wurden, frei bewegen können.

Forscher am Paul Scherrer Institut finden heraus, wie lange der Aufbau von Magnetismus in einem Metall dauert und wie der Vorgang abläuft Wenn die Metalllegierung Eisen-Rhodium magnetisiert wird, dauert dieser Prozess deutlich länger als der gegenläufige Vorgang der Entmagnetisierung. Diese Erkenntnis haben Forscher des Paul Scherrer Instituts zusammen mit einem internationalen Forscherteam gewonnen. Die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sind relevant für die Computerindustrie: Sie zeigen, welche Prozesse die Eigenschaften magnetischer Datenspeicherung begrenzen und wo es Potential für Verbesserung gibt.

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Weg aufgezeigt, um Daten auf magnetischen Medien zu speichern. Dabei verwenden die Forschenden kein externes Magnetfeld, sondern setzten stattdessen einen Hitzepuls ein. Diese Methode könnte die Speicherung von mehreren Tausend Gigabyte pro Sekunde erlauben. Das Verfahren wäre viele hundert mal schneller als Technologien, die in heutigen Festplatten genutzt werden und hat das Potenzial, deutlich weniger Energie zu verbrauchen. Mit dem Einsatz moderner lithografischer Verfahren und hochmoderner Röntgenmikrokopie haben Forschende des Paul Scherrer Instituts wesentlich zu dem Ergebnis beigetragen.

Ein Team unter der Leitung von Forschern des Paul Scherrer Instituts hat mit Experimenten am amerikanischen Röntgenlaser LCLS erstmals genau verfolgen können wie sich die magnetische Struktur eines Materials verändert. Die Strukturänderung wurde durch einen Laserblitz angestossen und mit Hilfe kurzer Röntgenpulse untersucht. So zeigte es sich, dass sich die Struktur erst 400 Femtosekunden nach dem Laserblitz zu verändern begann Für die Forscher des PSI ist dies ein wichtiger Meilenstein. Denn solche Untersuchungen sollen auch einen Forschungsschwerpunkt am geplanten Schweizer Röntgenlaser SwissFEL des Paul Scherrer Instituts darstellen.

Mauro Dell’Ambrogio, Staatssekretär für Bildung und Forschung unterzeichnete heute die Absichtserklärung der Schweiz, sich an der neuen europäischen Neutronenquelle ESS (European Spallation Source) zu beteiligen. Darin bekennt sich die Schweiz zu dem Ziel, die ESS in Lund (Südschweden) zu bauen und verpflichtet sich, am Konzept mitzuarbeiten, in dem der endgültige Plan für die Anlage festgelegt wird. Kurz nach Fertigstellung des Konzepts im Frühjahr 2013 soll die Entscheidung für den Bau der ESS fallen. Die Schweizer Beiträge zur Entwicklung der Anlage werden durch das Paul Scherrer Institut, das langjährige Erfahrung in der Forschung mit Neutronen hat, sowie durch Schweizer Universitäten und die Schweizer Industrie erbracht.

Mit einem Festakt hat das Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen (AG) heute an das zehnjährige Bestehen ihrer bedeutendsten Grossforschungsanlage erinnert. Seit der Inbetriebnahme im Sommer 2001 haben Tausende von Forschern aus Hochschule und Industrie an der Synchroton Lichtquelle Schweiz (SLS) qualitativ hochwertige Experimente durchgeführt. Ihre Forschung mündete in über 2000 wissenschaftlichen Publikationen und brachte darüber hinaus einen Nobelpreis sowie eine Vielzahl industrieller Anwendungen hervor.

Materialforschung in neuer DimensionViele Materialien haben eine spezielle kristalline Struktur à ihre Atome sind übereinander in Schichten angeordnet. Ein deutsch-schweizerisches Forscherteam hat zum ersten Mal präzise beobachtet, wie die physikalischen Eigenschaften einer Substanz von der Zahl dieser Schichten abhängen. Dass sich die physikalischen Charakteristika nun auch auf diese Weise kontrollieren lassen, eröffnet neue Möglichkeiten, Stoffe zu identifizieren, aus denen die Computerchips der Zukunft gemacht sein könnten.

Am Anfang des Sehvorgangs steht die Wechselwirkung des Lichts mit dem Protein Rhodopsin. Dieses enthält den eigentlichen Lichtsensor, der angeregt wird, seine Form zu verändern und so den Rest des Vorgangs anzustossen. Forscher haben die Struktur des Rhodopsinmoleküls in dem kurzlebigen angeregten Zustand bestimmt und so ein genaues Bild der ersten Stufe des Sehvorgangs geliefert.

Forschern ist es gelungen, magnetisch polarisierte Elektronen mit elektrischen Feldern zu beeinflussen. Diese wichtige Entdeckung könnte es ermöglichen, die Eigenschaften von Elektronen in einem Computerchip gleichzeitig für Verarbeitung und Speicherung von Daten zu nutzen. In Zukunft könnte dies die Entwicklung erheblich sparsamerer und leichterer elektronischer Geräte aller Art ermöglichen.

Magnetisierbare Materialien sind nie völlig unmagnetisch, sondern enthalten immer magnetisierte Bereiche à die magnetischen Domänen. In einem Experiment am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) konnten diese Domänen erstmals in ihrer dreidimensionalen Struktur abgebildet werden. Der Versuch beruhte auf einer Weiterentwicklung eines am Paul Scherrer Institut entstanden Verfahrens und nutzte neutronenoptische Komponenten, die am PSI hergestellt worden sind.

In einem starken Magnetfeld bilden Hochtemperatursupraleiter Flussschläuche à dünne Kanäle, in denen das Feld den Supraleiter durchdringen kann. Diese parallelen Schläuche ordnen sich meist in regelmässigen Mustern an. Nun haben zwei Physiker gezeigt, dass eine solche Anordnung von der Richtung des äusseren Magnetfelds abhängen muss. Grundlage dieser Ergebnisse ist eine mathematische Aussage, die als „Satz vom Igel“ bekannt ist.

Seit Jahrzehnten suchen Forschende nach magnetischen Monopolen à einzelnen magnetischen Ladungen, die sich wie einzelne elektrische Ladungen alleine bewegen könnten. Nun ist es einem Team von Forschenden des Paul Scherrer Instituts und des University College Dublin gelungen, Monopole als Quasiteilchen in einer Anordnung von nanometergrossen Magneten zu erzeugen und ihre Bewegung unmittelbar zu beobachten.

Porphyrin, das als Teil des Hämoglobins den Sauerstofftransport im Blut möglich macht, könnte in leicht veränderter Form auch in technischen Geräten Verwendung finden. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der Universität Basel haben gezeigt, dass sich eine magnetische Eigenschaft des Moleküls chemisch ein- und ausschalten lässt, so dass dieses als winziger Schalter dienen könnte.

In vielen wichtigen Werkstoffen findet man mehrere Phasen. Wird ein solcher Werkstoff erwärmt, können Atome von der einen Phase zur anderen wandern, so dass sich die Verteilung der Phasen ändert à und damit oft die Eigenschaften des Werkstoffs. Nun haben Forschende für einen wichtigen Fall einer solchen Veränderung gezeigt, dass es eine universelle Gesetzmässigkeit gibt, die den Vorgang beschreibt. Und zwar für alle Werkstoffklassen.

Halbleiter aus Polymermaterialien dürften in Zukunft immer mehr Bedeutung für die Elektronikindustrie bekommen à etwa als Grundlage von Transistoren, Solarzellen oder Leuchtdioden. Meist bestehen sie nicht aus einer einzelnen Substanz, weil sich ihre besonderen elektrischen Eigenschaften oft erst dann ergeben, wenn man mehrere verschiedene Polymere miteinander mischt. Forschende des Paul Scherrer Instituts und der Universität Cambridge ein Verfahren entwickelt, mit dem sie den detaillierten Aufbau des Materials sowohl im Inneren als auch an der Oberfläche bestimmen können.

Computer-Festplatten könnten bald ausgedient haben: Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und der Universität Konstanz haben neuartige Magnetbänder untersucht und gezeigt, dass sie nicht nur sehr hohe Speicherdichten, sondern auch viel schnellere Zugriffszeiten als heutige Speichermedien zulassen. Leiter der Studie war Mathias Kläui, der am 1. April eine von der ETH Lausanne und dem PSI gemeinsam finanzierte Professur antritt.

Ein neues Mikroskop an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts wird es möglich machen, den Aufbau von Materialien mit bisher unerreichter Auflösung darzustellen. Dazu werden Forschende einzelne Bereiche in einem Material betrachten, die nur wenige Nanometer (millionstel Millimeter) gross sind, und für jeden dieser Bereiche bestimmen, welche chemischen Elemente darin enthalten sind.

Forschenden ist es erstmals gelungen, dünne Schichten mit steuerbaren elektronischen Eigenschaften herzustellen. Diese Entdeckung könnte für zukünftige Anwendungen in der Sensorik und der Computertechnologie von grosser Bedeutung sein. Die Arbeiten wurden im Wissenschaftsmagazin Science veröffentlicht.

Publikation in Nature Materials.Ergebnisse vom Paul Scherrer Institut stellen gängige Theorien der Hochtemperatursupraleitung in Frage.

Publikation in Nature Materials. Forscher der Universität Freiburg und des Paul Scherrer Instituts PSI entdecken neue Form der Koexistenz zwischen Supraleitung und Magnetismus. Ferromagnetismus und Supraleitung vertragen sich eigentlich nicht. Über diese neue Variante im Wettstreit zwischen der Supraleitung und dem Ferromagnetismus berichten sie ab Montag, 16. Februar 2009 in der Online-Ausgabe des Wissenschafts-Journals Nature Materials.

Publikation in der Online-Ausgabe von Nature. Ein Forscherteam unter der Leitung von Alan Drew (Univ. Freiburg, Schweiz und Queen Mary College, London, England) und Elvezio Morenzoni (Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz) hat als erstes im Detail die magnetischen Vorgänge in einem Lesekopf – ähnlich dem, der Daten von der Festplatte eines Computers liest – verfolgt.

Von Rivalen zu Partnern. Die wilde Quantenwelt produziert Zustände, die in der klassischen Physiklehre nicht vorgesehen sind. Ein erstaunlicher neuartiger Zustand wird in der heutigen Ausgabe des Magazins Science von einem internationalen Wissenschaftlerteam um den Physiker Michel Kenzelmann vom Paul Scherrer Institut vorgestellt.

Publikation in Science. Ein neuartiges Röntgenmikroskop mit Superauflösung, das von einem Forscherteam des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Lausanne (EPFL) in der Schweiz entwickelt wurde, kombiniert die hohe Durchdringungsleistung von Röntgenstrahlen mit einer hohen bildlichen Auflösung und ermöglicht es somit erstmals, Licht auf die detaillierten inneren Strukturen von Halbleiterbauelemen­ten oder Zellen zu werfen.

Eine Abfolge von schärfer werdenden Diffraktionsbilder wurden mit steigender Magnetfeldstärke beobachtet.Supraleiter ermöglichen durch die Paarbildung von Elektronen den verlustfreien Transport von Strom. Sie haben deshalb in der Energieforschung einen zentralen Stellenwert. Die neuesten Forschungsergebnisse aus diesem Bereich hat nun ein internationales Wissenschaftlerteam in der heutigen Ausgabe des Magazins Science vorgestellt.