In einem anderen Film

Neue Physik funktioniert bisweilen ganz einfach. Man kann zum Beispiel ein Klebeband nehmen, es auf ein Stück Graphit drücken und wieder abziehen. Wiederholt man den Vorgang ein paar Mal, bleibt ein Wundermaterial am Tesafilm hängen: Graphen, ein zweidimensionales Gitter aus Kohlenstoff, durchsichtig, extrem leicht und reißfest. Ein Quadratmeter wiegt weniger als ein Milligramm. Eine Katze könnte ihr Mittagsschläfchen auf dem Netz machen, ohne dass dieses reißt. Der in der Sowjetunion geborene Physiker Andre Geim bekam im Jahr 2010 für die Entdeckung von Graphen mit Hilfe dieser Zipp-off-Methode den Nobelpreis.

„Es ist verblüffend, wie man mit Neugier und einfachen Mitteln Physik machen kann. Das ist ein Charakteristikum der Sowjet-Schule“, sagt Alexander Högele. Der LMU-Nanophysiker, selbst als Kind in der Sowjetunion aufgewachsen, mag diesen unkomplizierten Umgang mit neuen Materialien. Er sucht nach innovativen Nanomaterialien mit herausragenden optischen Eigenschaften, vor allem für Anwendungen in der Photonik und bei Quantentechnologien. In einem vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderten Projekt beschäftigt er sich mit Kohlenstoff-Nanoröhren, die in seiner Arbeitsgruppe so hergestellt werden, dass sie optisch aktiv sind.

Wer sich mit dem Nanophysiker in seinem Büro im Altbau der Fakultät für Physik trifft, taucht schnell ein in eine Welt von Quantenobjekten, von Pseudospins, von Potenzialfallen in Form von Mini-Pfützen, in denen genau ein Elektron Platz hat, und von Materialien mit ganz besonderen Eigenschaften. Das Ziel von Högeles Arbeiten ist es unter anderem, solche Materialien derart zu präparieren, dass sie einzelne Lichtteilchen einer bestimmten Frequenz abstrahlen, die man dann in der Photonik oder vielleicht sogar für die Quantenkommunikation nutzen kann. Högele: „Wir erforschen funktionale Materialien am atomaren Limit“ – mit Nanoröhren etwa, die nur noch aus einer Lage von Atomen bestehen, und ultradünnen 2D-Halbleitern.

Geschichten über die Nanowelt klingen oft so, als ginge es um einen ganz besonderen, einen wundersamen Kosmos. Forscher begeben sich mit Materialien wie Graphen oder Nanoröhren aus Kohlenstoff in Grenzbereiche der Physik. Sie haben es dann mit Effekten und Phänomenen zu tun, die es in der Welt der klassischen Physik nicht gibt. Um solch neuen Dingen auf die Spur zu kommen, sei nicht immer Hightech notwendig, sagt Högele.

Wände mit Wabenstruktur Seit geraumer Zeit arbeitet seine Gruppe an Nanoröhren aus Kohlenstoff und untersucht ihre Eigenschaften etwa bei Temperaturen wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273 Grad Celsius. Nanoröhren sind optisch aktiv, und die Lichtfrequenz, die sie ausstrahlen, hängt von ihrem Durchmesser ab. Die Intensität, mit der das Licht bei tiefen Temperaturen abgestrahlt wird, ist interessanterweise in einzelne Photonen gequantelt. Das machte Högele hellhörig. Offenbar war er da auf einen Effekt gestoßen, den man möglicherweise auch technisch in Glasfaserleitungen zur abhörsicheren Übertragung von Informationen nutzen konnte. Die entscheidende Frage war, ob man das System so manipulieren konnte, dass es Lichtteilchen, so genannte Photonen, auch bei Raumtemperatur in einer gewünschten Frequenz aussenden konnte.

Chemisch modifizierte Nanoröhren erweisen sich hier als vielversprechend. Die Zylinder sind mehrere Mikrometer lang und haben einen Durchmesser von rund einem Nanometer. In die Wabenstruktur der Wand, die aus nur einer Lage von regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht, können nun gezielt Fehlstellen eingebaut werden. Sie ersetzten dabei einzelne Kohlenstoffatome durch andere Atome oder chemisch reaktive Verbindungen. Das Ergebnis ist verblüffend: Die Frequenz der emittierten Photonen lässt sich so tatsächlich verändern. „Wir haben die Hoffnung, dass wir künftig maßgeschneiderte Nanoröhrchen für die Quantentechnologie entwickeln können“, sagt Högele.

Gesucht sind Materialien vor allem für Anwendungen in der abhörsicheren Informationsübertragung. „Es ist uns bereits gelungen, die Farbe der emittierten einzelnen Photonen an die technischen Anforderungen des bestehenden Glasfasernetzes der Telekom anzupassen“, erzählt Högele. Noch ist die Frequenz nicht fein genug abgestimmt, das Signal zu breit. Doch mittels technischer Tricks, etwa dem Einsatz optischer Resonatoren, lässt sich möglicherweise in Zukunft das Signal verbessern und die Ausbeute an passenden Photonen erhöhen.

Die Herausforderung ist, dass die Nanoröhren als Einzel-Photonen-Quellen – so genannte Single-Photon Sources, kurz SPS – fungieren und wirklich nur immer ein Photon mit der exakt gleichen Frequenz ausstrahlen sollen. Gelingt dies, ist der Weg in die Welt der Quantenkommunikation offen. Neben Photonen können auch Atome oder elektronische Zustände in Halbleiterfilmen Träger von Information sein. Deren Eigenschaften wie Drehsinn oder dergleichen, ließen sich als Zustände von Quanteninformation nutzen. Damit wäre auch die Grenze erreicht, wo nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik, sondern die der Quantenmechanik gelten. Noch sind solche Ideen Zukunftsvisionen und nur begrenzt in Forschungslaboren praktisch realisiert, doch schon jetzt sehen sich die Forscher mit hohen Erwartungen konfrontiert, was die Grundlagenforschung wie auch die angewandte Forschung und die Entwicklung neuer Materialien angeht.

Seite 2: 500 Materialien mit Potenzial

Alexander Högele ist einer von vier LMU-Wissenschaftlern, die der Europäische Forschungsrat (ERC) jetzt mit hochdotierten Consolidator Grants ausgezeichnet hat.

Seite 2: 500 Materialien mit Potenzial In der jüngsten Zeit beschäftigt sich Högeles Forschergruppe parallel zu der Arbeit an Nanoröhren mit weiteren ultradünnen Materialien, die allerdings nicht auf Kohlenstoff basieren. Für digitale Anwendungen haben 2D-Kohlenstoff-Systeme nämlich einen großen Nachteil. Graphen ist kein Halbleiter, damit lassen sich beispielsweise keine Transistoren bauen, die für viele elektronische Bauteile Schlüsselkomponenten sind. Deshalb arbeiten die Forscher auch mit anderen ultradünnen Materialien, die für technologische Anwendungen geeignet sind. Entscheidend ist dafür die sogenannte Bandlücke, nach dem quantenmechanischen Modell der energetische Abstand zwischen Bändern in Festkörpern, in denen sich die Elektronen bewegen können.

Seit einigen Jahren gibt es bei der Suche nach ultradünnen 2D-Materialien einen regelrechten Boom. Vor allem auf Verbindungen mit sogenannten Übergangsmetallen wie Molybdän oder Wolfram liegt derzeit der Fokus. Für mehr als 500 Materialien haben Forscher dieses Potenzial entdeckt. Viele sind hochreaktiv und an Luft oder im Kontakt mit Wasser nicht stabil. Die dünnen Materialien, die nur aus einer Schicht oder wenigen Atomlagen bestehen, haben oft komplett andere Eigenschaften als dreidimensionale, dickere Festkörper aus den gleichen Elementen. „Es ist ein neues Forschungsfeld der Festkörperphysik“, sagt Högele.

Der Nanophysiker arbeitet mit Molybdändisulfid, einem neuen Wundermaterial, mit dem sich auch Transistoren bauen lassen. Viele Verbindungen, die wie Molybdändisulfid zu den sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogeniden gehören, haben verblüffende optische Eigenschaften, etwa eine besonders starke Licht-Materie-Wechselwirkung und damit ein großes Potenzial für opto-elektronische Anwendungen. Viele physikalische Grundlagen sind bei den neuen Materialien noch nicht verstanden. „Nach Jahren der Forschung entdecken wir hier immer wieder neue Phänomene“, sagt Högele. „Und manche davon könnten auch für Anwendungen nützlich sein.“

Auch hier die Erwartungshaltung groß. Quanteninformationsverarbeitung mit Hilfe von Licht – diese Vorstellung elektrisiert die Forscher. Manche neu entdeckten Eigenschaften könnte man in ferner Zukunft für technische Anwendungen nutzbar machen, auch wenn, wie Högele sagt, der Weg hier weit ist. Er erzählt von einem Beispiel, bei dem man wieder in die Tiefen der Grundlagenphysik eintauchen muss. Die Elektronen im Molybdändisulfid lassen mit polarisiertem Licht anregen. „Zirkular polarisiertes Licht erzeugt Ladungsträger, die sich zyklisch entweder rechts- oder linksdrehend bewegen“, erklärt Högele. „Ihre Bewegung ist durch den Drehsinn quantisiert.“ Die Forscher beschreiben dies durch den sogenannten Valley-Index. Der quantisierte Drehsinn stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar, er könnte sich in der Informationstechnologie nutzen lassen. Anwendungen bis hin zum Quantencomputer sind denkbar. Die zeitliche Entwicklung von Quantenzuständen etwa ließe sich verwenden, um Informationen parallel verarbeiten zu können. „Ein ganzes Forschungsfeld arbeitet daran, Quanteninformationsverarbeitung technisch zu implementieren“, sagt Högele. Verschiedene Ansätze und Systeme konkurrieren hier miteinander, so werden auch in Lasergittern gefangene Atome oder Ionen als Träger von Quanteninformationen erforscht.

Schicht für Schicht ändern sich die Eigenschaften Doch was für Physiker ein spannendes neues Forschungsgebiet ist, stellt in Bezug auf mögliche Anwendungen erst einen Startpunkt dar. Langwierige Tests neuer technischer Entwicklungen sind dafür notwendig. Materialien müssen sich absolut vorhersagbar verhalten. So ist beispielsweise der Stand der Forschung zum Valley-Index einigermaßen kontrovers: In verschiedenen Studien haben Forscher bei formal identischen Halbleitern unterschiedliche Werte für die Valley-Polarisation gemessen. Sie erklären die Abweichungen damit, dass der Effekt offenbar stark von der Qualität der Kristalle und ihrer Oberflächen abhängt. Ob sich also physikalisch faszinierende Details wie die Valley-Polarisation tatsächlich für quantentechnologische Anwendungen werden nutzen lassen, wird entscheidend davon abhängen, ob hinreichend saubere und defektfreie Kristalle hergestellt werden können, sagt Högele.

Wohin solche Entwicklungen aus der Grundlagenforschung führen, ist oft nicht abzusehen. Dies gilt auch für ein weiteres Forschungsfeld, das sich um die Arbeit an 2D-Dünnschicht-Materialien entwickelt. Zu den 500 neuen ultradünnen 2D-Materialien gehören nämlich neben Halbleiters auch Isolatoren, Ferromagneten und sogar Supraleiter, also die ganze Bandbreite an Werkstoffen, die es auch in der dreidimensionalen Welt gibt. Neu in der 2D-Welt ist aber, dass man die 2D-Supraleiter, Ferromagneten und Halbleiter, zumal sie so dünn sind, beliebig miteinander kombinieren kann. Stapelt man sie Atomlage für Atomlage, entstehen sogenannte Van-der-Waals-Kristalle, geschichtete Kristalle aus dünnen Materialien. Schicht für Schicht ändern sich die physikalischen Eigenschaften oft dramatisch. Die zugrunde liegenden Effekte sind oft nicht hinreichend verstanden, für die Physiker ist das daher eine gigantische Spielwiese. „Es ist manchmal auch Zufall, was hier in den Fokus rückt“, sagt Högele. Er hat neue Stoffe im Fokus, Wolfram-Verbindungen wie Wolframdiselenid und Wolframdisulfid etwa oder hexagonales Bornitrid. „Jeder probiert hier im Moment aus, wie Nobelpreisträger Geim es bei Graphen auch gemacht hat.“ Dieser Molekülbaukasten scheint auch unendliche viele neue Anwendungen zu versprechen. Wenn man die Materialien geschickt miteinander kombiniert, lassen sich daraus ganz neue Bauteile wie Transistoren oder ganze Schaltungen im Nano-Format bauen. Der Traum von der maximalen Miniaturisierung ist auch hier der entscheidende Motor. „Es ist erstaunlich, mit welch elementaren Mitteln wir aktuell Fortschritte erreichen.“ Man könne komplett neue Verbundstoffe erzeugen, die es in der Natur so nicht gibt. „Hier werden noch spannende Dinge passieren“, prognostiziert Högele. Dennoch bremst er zu hohe Erwartungen. Auch das heute so gängige Silizium ist über Jahrzehnte im Labormaßstab untersucht worden, ehe es zur Platform für Massenelektronik wurde. Högele: „Unser Feld ist im Vergleich dazu noch verhältnismäßig jung.“

Dr. Alexander Högele forscht am Lehrstuhl für Festkörperphysik der LMU. Högele, Jahrgang 1975, studierte Physik an der Universität Heidelberg sowie an der LMU, wo er auch promoviert wurde. Danach war er Postdoc am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, bevor er im Jahre 2008 zunächst als Juniorprofessor an die LMU kam. Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert Högele seit 2013 mit einem seiner hochdotierten Starting Grants. Vor Kurzem sprach der ERC Högele eine weitere millionenschwere Förderung zu: einen sogenannten Consolidator Grant.