Spiel mit den Wundermaterialien
So dünn wie der Durchmesser eines Haares, nur hunderttausendmal dünner – was Nanophysiker Dr. Ashish Arora und seine Kollegen in den Laboren des Physikalischen Instituts herstellen, ist für Außenstehende eher schwer vorstellbar. Die Materialien, mit denen sie sich tagtäglich beschäftigen, halten einen Weltrekord, denn sie bestehen aus einer einzigen Schicht aus Atomen, den kleinsten Bauteilen der Natur.
„Wundermaterialien“, nennt sie Ashish Arora liebevoll, weil sie so vielseitig sind. Und weil sie Eigenschaften haben, die kaum zu glauben sind: Graphen zum Beispiel ist praktisch durchsichtig, aber hundertmal stärker als Stahl, könnte unter anderem das Gewicht einer Katze tragen. Für die Entdeckung dieser von Graphit abgetragenen Schicht aus Kohlenstoffatomen erhielten zwei russisch-britische Wissenschaftler 2010 den Nobelpreis. „Wir spielen nun mit diesen Materialien“, sagt Ashish Arora. Natürlich handelt es sich um weit mehr als eine Spielerei mit der Welt der Winzigkeiten. Die sogenannten zweidimensionalen Materialien, kurz 2-D, boomen seit Jahren in der Forschung. Ein Grund: Smartphones oder Computer werden stetig kleiner und schneller, was die altbekannten Halbleiter, zum Beispiel aus Silizium, an ihre Grenzen stoßen lässt.
„Wir brauchen 2-D-Materialien, um die Leitfähigkeit mithilfe von Strom oder Licht zu steuern“, betont Ashish Arora. Fündig werden die Forscher sowohl in der Natur als auch im Labor. Molybdändisulfid ist ein weiteres beliebtes Beispiel, das schon lange als Schmierstoff in der Industrie eingesetzt wird, besonders leitfähig ist und daher für viele neuartige Technologien genutzt werden kann. Transparente Touchscreens, biegsame Bildschirme oder neuartige Chips sind nur einige Beispiele. Viele Wissenschaftler haben die dünnen Schichten außerdem im Visier, um Quantencomputer zu entwickeln, die in Zukunft Probleme lösen könnten, die klassische Computer nur mit großem Aufwand oder auch gar nicht meistern.
Genauso außergewöhnlich wie die „Wundermaterialien“ sind allerdings auch die Gerätschaften, die es braucht, um sie zu untersuchen. „Viele unserer Fragestellungen können wir nur in hochmagnetischen Feldern beantworten“, erklärt Ashish Arora. Ein Grund, weshalb er sich ein- bis zweimal im Jahr zu den wenigen darauf spezialisierten Einrichtungen in der Welt aufmacht. Im französischen Grenoble finden er und seine Kollegen ein statisches Magnetfeld vor, das mit 30 Tesla 600.000-mal stärker als das Magnetfeld der Erde ist. „Uhren sollte man keine tragen, die sind dann kaputt“, gibt der Physiker Interessierten mit auf den Weg. „Schlimmer noch ist es, wenn diese oder andere metallische Gegenstände versehentlich durch die Luft fliegen. Durch den Magneten entwickeln sie eine Geschwindigkeit, mit der sie lebensgefährlich für Herumstehende sein können.“ Eine Information, durch die man einen Eindruck davon bekommt, warum im Zusammenhang mit derartigen Forschungseinrichtungen von hochmagnetischen Feldern die Rede ist.
Vier dieser Speziallabors gibt es in Europa, neben Grenoble sind das Toulouse in Frankreich, Nimwegen in den Niederlanden und Dresden. Die Forschungszeiten dort sind unter den weltweit anreisenden Wissenschaftlern hart umkämpft. Rund 1.000 Euro kostet es, den Magneten eine Stunde lang in Betrieb zu nehmen. Für Ashish Arora bedeutet das, regelmäßig ein internationales Expertenkomitee von seinen Forschungsvorhaben zu überzeugen, um überhaupt dort arbeiten zu dürfen.
Ein Aufwand, der sich lohnt: Jeder genehmigte Antrag bringt ihm und seinen Teamkollegen 40 bis 80 Stunden Forschungszeit ein. Zeit, um die Eigenschaften von sogenannten Valleys, bestimmten physikalischen Zuständen, mithilfe der Magnetfelder zu untersuchen und zu verändern. Die Wissenschaftler regen die Valleys mit polarisiertem Licht an und hoffen letztendlich, die Materialien bei Raumtemperatur für zukünftige Quantentechnologien nutzbar zu machen. Das brachte Ashish Arora in diesem Jahr sogar den Forschungspreis des „European Magnetic Field Laboratory“, einem organisierten Zusammenschluss der vier Labore, ein.
„Ich liebe es zu forschen und die Möglichkeiten, die sich uns dabei bieten“, betont der aus Indien stammende Nachwuchswissenschaftler, der auch im übertragenen Sinne schon eine weite Reise für seine Arbeit auf sich genommen hat: Nach verschiedenen Stationen im Ausland brachte ihn vor einigen Jahren ein Alexander-von-Humboldt-Stipendium nach Münster, gefolgt von verschiedenen Förderungen der Deutschen Forschungsgemeinschaft, über die er auch seine jetzige Stelle finanziert. „Ich bin sehr gespannt, wo uns unsere Forschung hinführen wird und auch, wie sich der daraus folgende technische Fortschritt auf die Menschen auswirkt“, sagt er. Denn wie Spiele das meist so an sich haben, ist auch der Ausgang des Spiels mit den Wundermaterialien noch weitestgehend offen.
Autorin: Svenja Ronge
Dieser Artikel stammt aus der Unizeitung wissen|leben Nr. 8, 18. Dezember 2019.