Damit das Verständnis der Quanteneigenschaften von Materialien vertieft werden kann, haben vier Forschende einen Förderbeitrag über 14 Millionen Euro erhalten, der vom Europäischen Forschungsrat (ERC) der Europäischen Union vergeben wird.

Das Team besteht aus drei Forschenden in der Schweiz sowie einem weiteren in Schweden: Gabriel Aeppli am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Henrik Rønnow an der Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Nicola Spaldin an der ETH Zürich und Alexander Balatsky von Nordita, Universität Stockholm. Ein ERC-Grant ist die renommierteste Auszeichnung für herausragende europäische Forschungsprojekte.

Mit dieser Finanzierung werden sie ihr Fachwissen bündeln, um ins Innerste der Materie zu blicken. Mit den Grossforschungsanlagen des PSI wollen sie neue Quanteneffekte entdecken, die bisher übersehen wurden oder mit bisher eingesetzten Methoden nicht sichtbar gemacht werden konnten.

Die Forschenden werden zudem neue Materialien mit nützlichen Quanteneigenschaften entwickeln. Solche neuen Eigenschaften könnten in Zukunft für die Datenverarbeitung oder Datenspeicherung von Nutzen sein und so das Rückgrat der Elektronik der Zukunft bilden, was wiederum der Allgemeinheit zugutekommt.

Massgeschneiderte Entwicklung

Ziel der gemeinsamen Forschung ist es, «versteckte» Quanteneigenschaften in bekannten Materialien aufzudecken, also Eigenschaften, die mit bisher eingesetzten Methoden nicht sichtbar gemacht werden konnten. Die Wissenschafter planen zudem die Entwicklung neuer Materialien mit massgeschneiderten Quanteneffekten. Solche Effekte könnten in Zukunft zur Verarbeitung, Übertragung und Speicherung von Daten genutzt werden und so zum Rückgrat der zukünftigen Elektronik werden, die schneller, kleiner und energieeffizienter werden muss.

«Es ist äusserst wichtig, dass wir diese Forschung jetzt angehen», sagt Gabriel Aeppli, Photonenforscher am PSI. «Die heutige siliziumbasierte Informationstechnologie beruht immer noch auf Prinzipien, die vor rund 70 Jahren entdeckt wurden. Dadurch stossen wir an die Grenzen des Machbaren, insbesondere in Bezug auf Geschwindigkeit und Energieeffizienz», so Aeppli weiter. «Wir müssen in der Informationsrevolution nun die nächste Stufe erklimmen und mehr Nutzen aus Quanteneffekten ziehen.»

Da die Schweiz kein EU-Mitglied ist, sei ihr Platz im ERC-Fördersystem nicht selbstverständlich, heisst es in einer Mitteilung. Derzeit ist die Schweiz voll angegliedert und hiesig tätige Forschende mit ihren Anträgen auf ERC-Stipendien besonders erfolgreich.

Konstruktive Zusammenarbeit

Im Zusammenhang mit dem nun vergebenen ERC Synergy Grant arbeiten die drei Foschenden in der Schweiz alle im ETH-Bereich. Das erleichterte es ihnen erheblich, ihre Fachkompetenz zusammenzuführen, sagt Henrik Rønnow. Die vier Experten, die sich jetzt zusammenschliessen, werden das Feld deutlich voranbringen, so Rønnow weiter: «Jedes Mal, wenn wir zusammensitzen, stellen wir fest, dass wir alle sehr unterschiedliche Blickwinkel haben, aber oft auf das Gleiche schauen. Schon in der Vergangenheit bin ich durch die Unterhaltungen mit den anderen dreien auf neue Ideen gekommen, wie ich die Dinge, die ich selbst suche, besser finden kann. Ich freue mich daher sehr auf den Ausbau dieser Zusammenarbeit.»

Was die Wissenschafter unter «versteckten» Phänomenen verstehen, lässt sich mit einer Analogie erklären: «Stellen wir uns eine grosse Fläche vor, die aus blauen und gelben Pixeln besteht», sagt Nicola Spaldin, theoretische Chemikerin und Materialwissenschafterin an der ETH Zürich. «Aus der Ferne sieht sie grün aus, aber wenn wir genauer hinsehen, entdecken wir zusätzliche Informationen – in diesem Fall die Art und Weise, wie Blau und Gelb so angeordnet sind, dass sie die grüne Farbe ergeben – die ebenso offensichtlich wie versteckt ist.» Spaldin erklärt, dass im Falle von Quantenphänomenen versteckte Eigenschaften alles andere als trivial zu finden sind. «Darum brauchen wir die fortgeschrittenen Analyseinstrumente der Grossforschungsanlagen am PSI, um sie zu entdecken.»

Der vierte Wissenschafter im Team, Alexander Balatsky von Nordita, ist theoretischer Physiker. Um die Wichtigkeit des gemeinsamen Forschungsprojekts zu verdeutlichen, schlägt er einen historischen Bogen: «Wir sprechen von der Steinzeit, der Bronzezeit, der Eisenzeit und sagen, dass die Menschheit sich derzeit im Siliziumzeitalter befindet. Als Nächstes wird ziemlich sicher das Quantenzeitalter kommen – aber welches Quantenmaterial wird es werden?» Zum jetzigen Zeitpunkt müsse man viele mögliche Materialien untersuchen; es brauche Pferde, damit es ein Rennen geben könne. «Und am Ende hoffen wir natürlich, dass eines unserer Materialien das Rennen gewinnt.»

Die Zukunft entdecken

Die Forschenden gaben ihrem gemeinsamen Forschungsprojekt den Namen Hero, eine Abkürzung für «Hidden, entangled and resonating orders» – zu Deutsch: «Versteckte, verschränkte und resonante Ordnungen». All dies sind wichtige Quanteneigenschaften, mit denen sie sich befassen werden, um mögliche Materialien der Zukunft zu entdecken. Dazu werden die Forschenden die verschiedenen Grossforschungsanlagen des Paul-Scherrer-Instituts nutzen, um Untersuchungen durchzuführen, die sich gegenseitig ergänzen, sowie auf die Rechenleistung des Swiss National Supercomputing Centre CSCS zurückgreifen, dem nationalen Hochleistungsrechenzentrum der ETH Zürich in Lugano.