CH: «Falling Walls» 2022: Empa-Forscher unter den Gewinnern

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«Die Falling Walls-Jury sucht weiterhin nach Lösungen aus der Wissenschaft, die der Menschheit dienen. Viele der diesjährigen Beiträge befassen sich mit der Dringlichkeit der Nachhaltigkeitskrise, von der Beschleunigung der Energiewende bis zu Cloud-Speicherlösungen und Recycling. Der Ruf nach mehr Interdisziplinarität zeigt sich auch in den Kunstinstallationen und erstreckt sich über das gesamte Spektrum der Wissenschaften, einschliesslich der Sozial- und Geisteswissenschaften – und hebt die Wissenschaften als Akteure des Wandels hervor», sagt Helga Nowotny, Jury-Vorsitzende und ehemalige Präsidentin des Europäischen Forschungsrats (ERC).

Durchbruch zu atomar präzisen Kohlenstoff-Quantenmaterialien

Ein solcher Akteur ist der Physiker Roman Fasel, Titularprofessor am Departement für Chemie, Biochemie und Pharmazie der Universität Bern und Leiter der Empa Abteilung «nanotech@surfaces». Er arbeitet mit seinem Team an der Herstellung neuartiger niedrigdimensionaler Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Graphen-Nanobänder, und das mit ultimativer – sprich: atomarer – Präzision. Diese strukturelle Präzision ermöglicht es, völlig neuartige elektronische Komponenten zu entwickeln, die auf Quanteneffekten basieren.

In den letzten Jahren hat Fasels Team einen neuartigen «Bottom-Up»-Ansatz entwickelt, der auf der oberflächengestützten Selbstorganisation molekularer Bausteine beruht und die atomar präzise Herstellung unterschiedlichster Graphen-Nanobänder ermöglicht. In solchen Nanobändern befinden sich alle Kohlenstoffatome genau an der richtigen Stelle, entsprechend dem vordefinierten «Bauplan».

Um die strukturelle Perfektion dieser Nanostrukturen zu überprüfen und ihre elektronischen Eigenschaften zu charakterisieren, wird höchste Auflösung benötigt, die nur die Rastersonden-Mikroskopie bietet. Die Breite und die Form der Kanten der Nanobänder bestimmt ihre quantenelektronischen Eigenschaften. Obwohl sich die von Fasels Team entworfenen und synthetisierten Nanobänder nur an den Rändern unterscheiden, haben sie grundlegend unterschiedliche elektronische Eigenschaften. Sie können etwa metallisch, halbleitend oder isolierend sein. Indem die Empa Forscher die Form der Bänder geringfügig verändern, schaffen sie so völlig neue Materialien. «Kürzlich haben wir gezeigt, dass es durch Veränderung der Form auch möglich ist, quantisierte magnetische Momente – so genannte Spins – zu induzieren und ihre Wechselwirkungen zu steuern, so dass wir Graphen-Nanomaterialien mit quantenkohärenten magnetischen Grundzuständen erhalten», so Fasel.

Dank dieser Durchbrüche konnten die Forschenden Methoden und Werkzeuge entwickeln, mit denen sich komplexe Nanobandstrukturen mit einer solchen Präzision herstellen lassen, dass Quanteneffekte gezielt gesteuert und genutzt werden können – und das auf einer Ebene, auf der ein einziges Atom einen entscheidenden Unterschied ausmacht. Dies hat konkrete Perspektiven für kohlenstoffbasierte Quantenanwendungen eröffnet und bringt kohlenstoffbasierte Nanomaterialien einen bedeutenden Schritt näher an künftige Quantentechnologien heran.

Ausblick: Quantentechnologien für den Alltag

Fasel hat mit seinem Team nun den Punkt erreicht, an dem komplexe Quantenzustände dauerhaft in Kohlenstoff-Nanomaterialien kodiert werden können. Die nächste grosse Herausforderung besteht darin, zu verstehen, wie man viele dieser Quantenzustände kontrollieren und so verschränken kann, dass sie sich für Quantenanwendungen eignen. «Meine Hoffnung für die Zukunft ist, dass es möglich sein wird, Quanteneffekte in Kohlenstoff-Nanomaterialien für alltägliche Zwecke zu nutzen, und zwar mit einer Quantentechnologie, die keine riesigen, kostspieligen Kühlsysteme benötigt, die wenig Strom verbraucht, und die auf Kohlenstoff basiert – einem Element, das ungiftig, kostengünstig und weithin verfügbar ist. Kurz gesagt, eine Quantentechnologie, die in Zukunft unsere alltäglichen Bedürfnisse besser erfüllen wird», so Fasel.

Herausgeber

Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

http://www.empa.ch