Materialien für Morgen
Die Eigenschaften makroskopischer Stoffe lassen sich oft auf die Besonderheiten ihrer atomaren Bestandteile zurückführen. Erst wenn Forscher diese Zusammenhänge kennen, können sie Werkstoffe oder Bauteile mit gewünschten Eigenschaften entwickeln, die kompakter, flexibler, robuster, leichter oder effizienter sind als heutige.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler be- und durchleuchten daher systematisch Materialien mit Neutronen sowie mit Synchrotronlicht. Während Neutronen tief in die Stoffe eindringen und die Atomkerne spüren, treten die Photonen hauptsächlich mit den Elektronen der Festkörper nahe der Oberfläche in Wechselwirkung. Mit Photonen und Neutronen lassen sich daher sowohl oberflächennahe Schichten als auch die Volumeneigenschaften der Materialien analysieren. Beides jeweils absolut zerstörungsfrei. Die Methoden ergänzen sich hervorragend.
Computer von morgen: Immer schneller, immer leistungsfähiger
Arbeitsspeicher für Computer mit immer höherer Leistungsdichte herzustellen, die gleichzeitig weniger Strom benötigen: dies gelingt nur, wenn genau bekannt ist, was auf einer Festplatte beim Schreiben oder Lesen von Daten passiert. Mit Neutronen gelang es einem Forscherteam am HZB zusammen mit Partnern aus der Schweiz erstmals, die Domänen magnetischer Stoffe in 3D sichtbar zu machen. Die Methode der Wahl ist die Neutronentomografie, durchgeführt am Forschungsreaktor BER II. Besonders kompakte und energiesparende Datenspeicher und Computerelektroniken ließen sich konstruieren, wenn eine weitere Eigenschaft der Elektronen zum Schreiben und Speichern der Daten genutzt würde: ihr Eigendrehimpuls, genannt Spin.
Die Spintronik ist daher die Elektronik der Zukunft. Um die Grundlagen dieser Technik auszuloten, beschießen Arbeitsgruppen am Synchrotronring BESSY II dünne magnetisierte Metallfolien rasch hintereinander mit ultrakurzen Laser- sowie Röntgenpulsen. Diese entstehen beim sogenannten Femtoslicing. Das besondere am Femtoslicing bei BESSY II: Nur hier steht den Nutzern sogenanntes zirkular polarisiertes Röntgenlicht zur Verfügung. Es erlaubt den Forscherinnen und Forschern Experimente, die zusammen mit Neutronen-Messungen zu einem umfassenden Gesamtbild dieser Phänomene führen.
Ströme fließen verlustfrei
Der Eigendrehimpuls der Elektronen spielt ebenso bei der Supraleitung die entscheidende Rolle. Dank Supraleitung kann man Strom nahezu verlustfrei transportieren, doch verlieren die heute bekannten Stoffe erst bei extrem niedrigen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand. Forscherteams in aller Welt suchen nach Erklärungen, warum das so ist und wie man das Phänomen nutzbar machen kann. Sie wollen gezielt Materialien entwickeln, die im günstigsten Fall bereits bei Zimmertemperatur elektrische Ladungen verlustfrei transportieren. Das würde Milliarden Euro an Stromkosten sparen und gleichzeitig helfen die Umwelt zu entlasten.
Magnetische Domänen erstmals in 3D sichtbar.
Magnetismus im Mikro- und Nanokosmos
verstehen, um zum Beispiel immer
leistungsstärkere Festplatten für
Computer herstellen zu können.
Zwei Beispiele für erfolgreiche Experimente zur Hochtemperatursupraleitung mit Neutronen:
Forscherinnen und Forscher am HZB haben in Kooperation mit einer internationalen Wissenschaftlergruppe bei allen Eisen basierten Supraleitern eine universelle magnetische Signatur entdeckt, selbst wenn die jeweiligen Materialien ansonsten unterschiedliche chemische Eigenschaften haben.
In Lanthan-Strontium-Manganat, einem elektrisch leitendenden Stoff, der ebenso wie Hochtemperatursupraleiter durch Dotieren von Isolatormaterialien hergestellt wird, verhalten sich freie Elektronen für kurze Zeit wie ein Gas. Sie werden jedoch rasch wieder fest im Kristallgitter gebunden. Das Experiment beweist: Supraleitung existiert auf Dauer nicht in diesem Grundstoff.
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