Synchrotron-strahlungsquellen: Werkzeugkästen für Quantentechnologien
Ein sehr spezieller Blick auf die Experimentierhalle von BESSY II. © Volker Mai/HZB
Die neue Ausgabe des "Hitchhiker's Guide" to synchrotron and FEL light sources for quantum technology ist gerade erschienen, gedruckt und online. © Anna Makarova/HZB
Synchrotronstrahlungsquellen erzeugen hochbrillante Lichtpulse, von Infrarot bis zu harter Röntgenstrahlung, mit denen sich tiefe Einblicke in komplexe Materialien gewinnen lassen. Ein internationales Team hat nun im Fachjournal Advanced Functional Materials einen Überblick über Synchrotronmethoden für die Weiterentwicklung von Quantentechnologien veröffentlicht: Anhand konkreter Beispiele zeigen sie, wie diese einzigartigen Werkzeuge dazu beitragen können, das Potenzial von Quantentechnologien wie z. B. Quantencomputing zu erschließen, Produktionsbarrieren zu überwinden und den Weg für zukünftige Durchbrüche zu ebnen.
In der Quantentechnologie spielen quantenphysikalische Prinzipien wie Superposition, Interferenz und Verschränkung die entscheidende Rolle für ihre Funktion. Bauelemente der Quantentechnologie können Berechnungen um Größenordnungen effizienter durchführen (Quantencomputing), Informationen sicher verschlüsseln oder in Sensoren eine beispiellose Messgenauigkeit liefern. Allerdings ist es immer noch schwierig, solche Bauelemente für den praktischen Einsatz zu entwickeln, denn Quantensysteme reagieren von Natur aus empfindlich auf Störungen durch die Umgebung, was ihre präzise Steuerung unter normalen Bedingungen erschwert. Um hier Fortschritte zu erreichen und Fehlerquellen zu identifizieren, müssen solche Materialien und Bauelemente eingehend charakterisiert und noch besser verstanden werden.
Werkzeugkasten Licht
Hier bieten Synchrotron- und FEL-Strahlungsquellen den optimalen Werkzeugkasten. Die Vielfalt an Methoden reicht von zerstörungsfreier Bildgebung, Röntgenbeugung,Spektroskopie, Spektromikroskopie bis hin zu Untersuchungen von elektronischen und magnetischen Nano-Strukturen
Expertinnen und Experten vom HZB haben für diesen Überblick gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von Universitäten und weiteren europäischen Synchrotronstrahlungsquellen ihr Wissen zusammengetragen.
Außerdem: Hitchhiker's Guide ist neu erschienen
Der "Hitchhiker's Guide" to synchrotron and FEL light sources for quantum technology" ist ab sofort gedruckt und online verfügbar ( www.helmholtz-berlin.de/srforqt ).
Diese Broschüre stellt kurz die wichtigsten Untersuchungsmethoden und Anwendungen vor und bietet ein ausführliches Verzeichnis von Experimentierstationen in Europa, die sich besonders für Forschung in den Quantentechnologien eignen, einschließlich Zugangsmöglichkeiten und Ansprechpartnern.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.