La Ola im Halbleiter
- mundo
Die Computertechnik hat uns alle fest im Griff. Die Arbeit im Büro ist ohne das Internet nicht mehr zu denken. Heutige Mobiltelefone haben eine Rechenleistung, die vor wenigen Jahrzehnten nicht einmal ganze Wandschränke an Computern liefern konnten. Und nun tritt mit der künstlichen Intelligenz schon die nächste Revolution auf den Plan – bereit, unser aller Leben noch einmal umzukrempeln. Doch das Ganze hat auch eine Kehrseite: Der Energieverbrauch der Informations- und Computertechnik steigt rasant an. Das liegt nicht nur daran, dass die ganze Welt an den Errungenschaften der modernen Technik teilhaben will. Zum Training der künstlichen Intelligenz müssen große Rechenzentren wochenlange Berechnungen durchführen, und viele tausend Computerchips laufen derweil bei voller Leistung.
„Die heutige Computertechnik basiert auf Silizium-Chips und ist schon ziemlich ausgereizt“, sagt Anna Isaeva. Die Chemikerin hat im April 2024 die Professur für Quantenmaterialien am Research Center Future Energy Materials and Systems der Universitätsallianz Ruhr übernommen, die an der Fakultät Physik der TU Dortmund verortet ist. „Bereits seit einiger Zeit wird in der Wissenschaft diskutiert, ob man nicht ganz neue Materialien braucht, die sehr viel sparsamer sind als die heutigen Computerchips“, erzählt sie. In den Leiterbahnen der Silizium-Chips fließt elektrischer Strom – also Elektronen – mit sehr hoher Taktung durch Milliarden winziger Transistoren. Auf diese Weise werden Informationen verarbeitet und weitergeleitet. „Allerdings verbrauchen diese rasend schnell hin und her fließenden Elektronen einiges an Energie, weil sie auf ihrem Weg durch den Chip elektrischen Widerstand erfahren und dadurch Verlustwärme erzeugen“, erklärt die Forscherin.
Die Idee für neue Computermaterialien besteht deshalb darin, die Elektronen gar nicht mehr wandern zu lassen, sondern die Information auf andere Weise durch den Rechner zu jagen. „In einem Fußballstadion gibt es die La-Ola-Wellen, wenn die Fans der Reihe nach aufstehen, die Arme in die Luft werfen und sich wieder hinsetzen, so dass die Welle schließlich rund um das Stadion schwappt, obwohl kein Mensch seinen Standort ändert“, so Isaeva. „Denselben Effekt wollen wir mit Elektronen erzielen, indem wir ihren sogenannten Spin einsetzen.“ Denn Elektronen besitzen nicht nur eine elektrische Ladung, sondern erzeugen auch ein Magnetfeld.
Winzige Kompassnadeln
Verantwortlich dafür ist der Spin, ein magnetisches Moment des Elektrons, das man sich vereinfacht als eine planetenartige Rotation um die eigene Achse vorstellen kann. Der Spin sorgt dafür, dass Elektronen sich wie winzige magnetische Kompassnadeln verhalten. In speziellen Halbleitern richten sich diese Kompassnadeln an den Oberflächen auf charakteristische Weise auS. Dank dieser Eigenschaften können reine Spinströme entstehen, die sich energieeffizient nutzen lassen.
„Das Spannende an diesen Spinströmen ist, dass man Information mithilfe der Spinausrichtung der Elektronen transportieren kann. Die Elektronen müssen also nicht in großer Zahl fließen, und der Informationstransport erfolgt mit deutlich geringerem Energieverbrauch“, erklärt Isaeva. Das ganze Forschungsgebiet wird auch „Spintronik“ genannt, da hier im Gegensatz zur Elektronik keine elektrische Ladung, sondern die Orientierung der Elektronenspins für den Informationstransport zuständig ist.
Das gesamte Gebiet der Spintronik hat sich in den letzten Jahren enorm aufgefächert und umfasst verschiedene Klassen von Materialien. „Unsere Forschungsgruppe widmet sich einem exotischen Typ spintronischer Stoffe, den sogenannten topologischen Isolatoren“, so die Chemikerin. Man kann sich diese Materialien wie eine besondere Energielandschaft vorstellen, in der die Elektronen nur ganz bestimmte, geschützte Wege nehmen können – gerade diese besondere Form der Landschaft macht sie „topologisch“. Die Spinausrichtung an der Oberfläche topologischer Materialien bleibt aufgrund quantenmechanischer Schutzmechanismen selbst über größere Distanzen stabil, wodurch sich Energieverluste beim Informationstransport noch weiter minimieren lassen.
„Im Jahr 2016 wurde der Physik-Nobelpreis an die drei Theoretiker David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für ihre bereits in den 1980er Jahren begonnenen Forschungen zu solchen topologischen Materialien vergeben“, sagt Isaeva. „Diese theoretischen Erkenntnisse waren damals allerdings so abstrakt, dass lange Zeit niemand wusste, ob sich solche Materialien überhaupt realisieren lassen würden.“ Im Jahr 2007 kam dann der Durchbruch, als einem experimentell arbeitenden Team in Würzburg um Prof. Laurens Molenkamp erstmals ein solches topologisches System aus übereinander gestapelten dünnen Schichten hergestellt werden konnte. Dies löste einen wahren Boom aus, der bis heute anhält. „Man muss dazu allerdings sagen, dass wir alle derzeit noch im Stadium der Grundlagenforschung sind“, erläutert Isaeva die aktuelle Situation. Noch sind diese topologischen Materialien weit davon entfernt, alltagstauglich zu sein.
Eine neue Materialklasse
Besondere Hoffnung für Anwendungen liegt auf einer erst kürzlich entdeckten neuen Materialklasse, den magnetischen topologischen Isolatoren. Diese zeichnen sich durch besonders robuste Spinströme an der Oberfläche aus, deren Spins nur eine ganz bestimmte Ausrichtung besitzen. Allerdings konnten solche Materialien bisher experimentell nur bei sehr tiefen Temperaturen realisiert werden, und zwar nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad CelsiuS. Das große Interesse an magnetischen topologischen Materialien rührt daher, dass sie aufgrund ihrer ungewöhnlichen inneren magnetischen Ordnung ihre besonderen Eigenschaften theoretisch auch bis hin zu Raumtemperatur bewahren könnten, sofern diese magnetische Ordnung erhalten bleibt.
„In den letzten Jahren haben wir es geschafft, einen magnetischen topologischen Isolator zu synthetisieren, der möglicherweise bereits bei Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff – also etwa minus 200 Grad Celsius – seine besonderen Spin-Eigenschaften zeigt“, beschreibt die Forscherin den Fortschritt in der Grundlagenforschung. „Das ist bereits ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung, um eines Tages Materialien zu designen, die auch bei Raumtemperatur funktionieren und damit etwa in einem Handy einsetzbar sind.“
Die Synthese solcher Stoffe ist sehr komplex. Man benötigt eine passende Kombination schwerer Elemente wie Mangan, Bismut und Tellur, die dann in aufwändigen Verfahren zu ganz bestimmten Kristallen geformt werden. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, diese Elemente aufzuschmelzen und dann langsam zum gewünschten Festkörper auskristallisieren zu lassen.
Ist ein solches Material erst einmal erzeugt, wird es aufwändig mit einer ganzen Reihe modernster Verfahren untersucht und charakterisiert. „Ich bin sehr froh über die guten Möglichkeiten, die wir hier am Research Center Future Energy Materials and Systems haben“, sagt Isaeva. In dieser interdisziplinären Einrichtung bündeln die drei Hochschulen der Universitätsallianz Ruhr – die TU Dortmund, die Ruhr-Universität Bochum (RUB) und die Universität Duisburg-Essen (UDE) seit 2021 ihre Spitzenforschung zu neuen Materialien für die Energiewende.
Inspirierende Interdisziplinarität
Hier arbeiten Forscher*innen unterschiedlicher Fachgebiete eng zusammen und nutzen neueste Techniken, um den Geheimnissen ihrer Materialien auf die Schliche zu kommen. Dazu zählen unter anderem hochauflösende Elektronenmikroskope in der Gruppe von Prof. Christian Liebscher (RUB) sowie Messmethoden für Magnetotransport und thermischen Transport in der Gruppe von Prof. Gabi Schierning (UDE). In Kooperation mit den Physiker*innen Prof. Silvana Botti und Prof. Miguel Marquez (RUB) ist es darüber hinaus sogar möglich, neue Materialien mit herausragenden Eigenschaften mithilfe moderner, KI-gestützter Ansätze am Computer zu modellieren und gezielt vorherzusagen.
„Diese Atmosphäre inspiriert mich sehr, auch weil es mich an meine Jugend erinnert“, erzählt die Chemikerin. „Denn meine Familie stammt aus Troitsk in der Nähe von Moskau.“ Dies war eine der Wissenschaftsstädte, die nach dem Zweiten Weltkrieg in der Sowjetunion entstanden, um die Forschung zu bündeln und Wissenschaftler*innen unterschiedlicher Fachrichtungen gemeinsames Arbeiten zu ermöglichen. Sie fährt fort: „Während meine Großmutter in der Astrophysik arbeitete, war mein Großvater Ingenieur und wirkte am Aufbau des ersten Großrechners des Instituts mit. Deshalb war ich es von Kindheit an gewohnt, in verschiedene Disziplinen hineinzuschnuppern.“
Daher fiel es ihr auch zunächst schwer, sich für ein bestimmtes Fachgebiet zu entscheiden. „Ich ging dann an die neu gegründete Fakultät für Materialwissenschaften an der Staatlichen Universität Moskau, weil ich dort meine vielfältigen Interessen wunderbar kombinieren konnte. Ich studierte Chemie, konnte mich dort aber auch intensiv mit den physikalischen Eigenschaften von Materialien und ihrer mathematischen Modellierung beschäftigen.“ Ihr weiterer Weg führte sie dann über Antwerpen, Dresden und Amsterdam nach Dortmund.
In unseren Projekten geht es um die Einsparung von Energie. Manche zielen konkret auf Anwendungen, andere sind – wie die topologischen Materialien – noch Grundlagenforschung. Prof. Anna Isaeva
Mit ihrem Team forscht sie aber nicht nur an topologischen Materialien für die Spintronik. Sie untersucht ebenfalls, ob sich magnetische Halbleiter zum Beispiel auch als Sensoren einsetzen lassen. Oder wie sich die Leistungsfähigkeit dieser Materialien gezielt durch Unordnung auf atomarer Ebene steigern lässt. „In den meisten Fällen gilt, dass die Materialeigenschaften besser werden, je sauberer strukturiert das Kristallgitter ist, in dem die verschiedenen Atome angeordnet sind – doch in speziellen Fällen lassen sich interessante mechanische, optische oder elektronische Effekte erzielen, wenn man diese Regelmäßigkeit stört“, erklärt Isaeva. Die Gruppe untersucht derzeit in einer Kooperation, ob sich eine solche gezielt eingebrachte Unordnung auch zur Optimierung effizienter Brennstoffzellen nutzen lässt. All diese Fragen sind auch Thema im Research Center Future Energy Materials and Systems.
„Eine wichtige Motivation bei unserer Forschungsarbeit ist es immer auch, die Bedürfnisse der Gesellschaft im Auge zu behalten, weshalb wir viele unserer Anstrengung auf die Einsparung von Energie lenken“, sagt die Wissenschaftlerin. Manche der Forschungsprojekte zielen ganz konkret auf mögliche Anwendungen, andere – wie die topologischen Materialien – sind noch ein Stück davon entfernt. Doch wenn es bei diesen exotischen Substanzen bedeutsame Fortschritte geben sollte, kann dies durchaus zu massiven Einsparungen führen.
Text: Dirk Eidemüller
Zur Person:
Prof. Dr. Anna Isaeva kam 2024 als Professorin für „Quantum Materials“ an das Research Center Future Energy Materials and Systems der Universitätsallianz Ruhr. Ihre Professur ist an der Fakultät Physik der TU Dortmund angesiedelt. Nach einem Studium der Materialwissenschaften hat sie 2008 in anorganischer Chemie an der Moscow State University, Russland, promoviert. Anschließend war sie als Postdoc an der Universität Antwerpen, Belgien, tätig, bevor sie 2010 an die TU Dresden wechselte. Dort war sie später Juniorprofessorin für „Synthese und Kristallzüchtung von Quantenmaterialien“ und Gastgruppenleiterin am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden. Bis zu ihrer Berufung ins Ruhrgebiet war Isaeva Professorin am Institut für Physik der Universität von Amsterdam, Niederlande.
Dies ist ein Beitrag aus der mundo, dem Forschungsmagazin der TU Dortmund.