Der ruhigste Raum der Welt

Neues Forschungslabor in der Schweiz schirmt Erschütterungen, elektromagnetische Felder und Lärm hocheffizient ab – ideale Voraussetzungen für Nano- und Quantenforscher.

Nanoforscher lieben die absolute Ruhe. Und das nicht, um ihre Ideen während eines ungestörten Nickerchens zu überdenken, sondern um die perfekte Kontrolle über ihre atomar kleinen Proben zu gewinnen. In dem wohl ruhigsten Labor der Welt finden ab dieser Woche Schweizer Wissenschaftler optimale Bedingungen für ihre anspruchsvollen Experimente. Perfekt abgeschirmt gegen Lärm, elektromagnetische Strahlung und Temperaturschwankungen können nun winzige Bauteile für zukünftige Spintronik-Chips entwickelt und schärfere Bilder von komplexen Molekülen geschossen werden als je zuvor. Diese Labore bilden das Herzstück des neuen Nanotechnologie-Zentrums, das der Technologiekonzern IBM und die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) diese Woche in Rüschlikon eröffnet haben. Gekostet hat der gesamte Bau mit Reinraum, Büros und Versuchslaboren auf 6.500 Quadratmetern Fläche mehr als 40 Millionen Euro. Weitere 20 Millionen Euro sind für die Laborausstattung und den Betrieb vorgesehen.

„Für uns ist der Laborraum nun selbst ein Teil des Experiments“, sagt Emanuel Lörtscher, der maßgeblich am Aufbau der „Noise-Free-Labs“ am IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich beteiligt war. Acht Meter unter dem Erdboden und auf einer Fläche von 176 Quadratmetern können nun die Firmenforscher und Kollegen von der ETHZ ihre komplexen Experimente aufbauen. Kein vorbeifahrender Lastwagen und kein strahlender Handymast soll die Versuche in den insgesamt sechs Laborräumen mehr stören. Um dieses Ziel zu erreichen, mussten die Bauherren in den vergangenen drei Jahren sehr erfinderisch sein und viele Probleme lösen.

Schwebender Betonsockel gründet auf Felsgestein

So stehen die High-Tech-Räume direkt auf dem festen Gestein des Untergrunds. Das allein reicht jedoch nicht aus, um Erschütterungen - verursacht von vorbeifahrenden Zügen und Autos - zu verhindern. Daher flossen über 40 Tonnen Beton zusätzlich in das Fundament. Der massive, bis zu 80 Zentimeter dicke Betonsockel liegt nicht direkt auf dem Gestein auf, sondern schwebt auf einem überdimensionalen Luftkissen. Über eine aktive Steuerung kann er so jeder kleinsten äußeren Erschütterung entgegen wirken und sie quasi verschlucken. Erste Testmessungen zeigten die Effizienz dieser ausgeklügelten Vibrationsdämpfung. „Schwere Güterzüge – nur 180 Meter entfernt – hatten vor allem nachts immer relativ häßliche Schwingungen zwischen 30 und 80 Hertz verursacht“, sagt Lörtscher. „Davon merken wir auf diesem Fundament gar nichts mehr.“ In Zahlen ausgedrückt werden die Schwingungen bis auf 100 Millionstel Millimeter pro Sekunde gedämpft.

Diese Ruhe soll nun nicht direkt wieder mit wummernden Vakuumpumpen, wie sie nahezu jedes Nanoexperiment benötigt, gestört werden. Daher werden diese Hilfsaggregate ohne Ausnahme aus dem eigentlichen Versuchsraum verbannt. Pumpleitungen aus einem abgeschirmten Nebenraum führen zu der eigentlichen Versuchskammer. Auch für Menschen wird das „Noise-Free-Lab“ zur Sperrzone. Denn Jeder strahlt über seine Körpertemperatur so viel Wärmeleistung ab wie eine 100 Watt Glühlampe. Und Wärmestrahlung kann einzelne Atome in unerwünschte Schwingungen versetzen. Daher müssen alle Experimente ebenfalls aus einem benachbarten Kontrollraum ferngesteuert kontrolliert werden.

Für ein konstantes Laborklima sorgt eine Klimaanlage, die nicht nur die Temperatur auf ein Zehntel Grad konstant hält. Durch eine geschickte Anordnung von Kühlelementen und Lüftungsschlitzen soll das Labor auch mit einer möglichst gleichförmigen, Turbulenz freien Strömung belüftet werden. In der Decke montierten die Konstrukteure dazu einen Aluminium-Fächer, der ähnlich wie die Kühlrippen auf einem Computerchip Wärme abführen kann. „So erzeugten wir eine laminare Strömung von unten nach oben“, erklärt Lörtscher. Eine Aufheizung durch Lichtquellen hält sich zudem dank stromsparender Leuchtdioden in engen Grenzen. Damit verzichten die Laborbauer weitestgehend auf den Einsatz von Leuchtstoffröhren. Denn diese senden Strahlung aus, die die Messungen der extrem empfindlichen Detektoren stören kann. Um ganz sicher zu gehen, wollen die Nanoforscher während ihrer Versuche jede künstliche Lichtquelle ausschalten.

Metallmantel und Spulen gegen Elektrosmog

Auch rund um das Laborgebäude des neuen Nanotechnologie-Zentrums befinden sich viele Störquellen. Mobilfunksender, Hochspannungsleitungen, die Stromversorgung der Bahnstrecken und sogar das Erdmagnetfeld funken den Forscher bisher im wahrsten Sinne des Wortes dazwischen. Ein Mantel aus einer Nickel-Eisen-Legierung umhüllt daher die Versuchsräume. Dieses so genannte µ-Metall verschluckt bereits einen guten Teil der elektromagnetischen Störstrahlung. Kleine Restfelder könnten aber immer noch den Weg in das „Noise-Free-Labor“ finden. Dagegen sollen gigantische Drahtspulen entlang der drei Raumachsen helfen, in die die Räume quasi eingewickelt sind. Gesteuert über hochsensible Sensoren für elektromagnetische Felder werden mit der stromdurchflossenen Spule aktive Gegenfelder aufgebaut. Diese löschen sich mit den Störfeldern so effizient gegenseitig aus, dass die resultierende Feldstärke kleiner als fünf Nanotesla ist. Ein wirksamerer Schutz gegen Elektrosmog wurde bisher noch nirgends in der Welt verwirklicht.

Mit der Eröffnung der "Noise-Free-Labs" stehen die Forscher von IBM und der ETHZ nun in den Startlöchern für ihre abgeschirmten Experimente. Noch dieses Jahr wird ein Elektronenstrahlschreiber installiert, mit dem sich Prototypen für atomar kleine Schaltkreise der Zukunft fertigen lassen. 2012 folgt dann ein Transmissionselektronenmikroskop, das dank absorbierter Vibrationen noch genauere Aufnahmen von Molekülen liefern soll. Und Lörtscher ist sich sicher, dass viele Nanoforscher außerhalb der Zürich von den Erfahrungen seines Teams profitieren werden. „Wir haben bereits Anfragen von Universitäten und Unternehmen bekommen“, sagt er. In Zusammenarbeit mit den am Bau beteiligten Firmen sollen einzelne Teilentwicklungen nun patentrechtlich geschützt werden. Über Lizenzen könnte eine Weitergabe des „Noise-Free“-Wissens an andere Nanolabore schon bald erfolgen.

Jan Oliver Löfken

KK