03.06.2024

Exotische Materialien gezielt herstellen

Die Synthese besonderer Materialien wie topologischer Supraleiter ist eines der Themen der neuen „Physik in unserer Zeit“.

Christian Ast

Die Grundlagenforschung ist eine der wichtigsten Investitionen in unsere Zukunft. Sie bildet das Fundament für Innovationen, die wir heute noch nicht einmal erahnen. Dabei ist vor allem in den letzten hundert Jahren ein weltweites Netzwerk an Forschern entstanden, die gemeinsam daran arbeiten, das Wissen zu vermehren. Forschung ist Teamarbeit geworden. Neue Erkenntnisse werden veröffentlicht, andere entwickeln darauf aufbauend neue Ideen, gewinnen wieder neue Erkenntnisse und veröffentlichen diese. 


Christian Ast ist Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für...
Abb.: Christian Ast ist Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Er interessiert sich für Spektroskopie am Quantenlimit auf atomarer Skala mit Spins auf verschiedenen Oberflächen.

Dadurch nimmt die Teamarbeit globale Dimensionen an. Man könnte auch sagen, dass die Wissenschaft ein global agierender Organismus ist. Dabei muss ich an ein würfelförmiges Raumschiff der „Borg“ aus „Star Trek“ denken, das an Bord Menschen und andere Lebewesen assimiliert und zu einem einzigen Bewusstsein zusammenfasst. Der Vorteil des Borg-Würfels ist, dass die gemeinsamen und geteilten Gedanken in diesem „Schwarmbewusstsein" allen sofoG. Wagner et al.: Designer-Supraleiter nehmen Form an – Supraleiter Atom für Atom aufgebaut, Physik in unserer Zeit 55(3), 122 (2024); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202401701rt zur Verfügung stehen und blitzschnell neue Schlussfolgerungen gezogen werden können. Der Nachteil ist, dass die Lebewesen ihre Individualität komplett einbüßen müssen. 

Dies ist glücklicherweise auf unserer Menschen-Kugel, der Erde, nicht der Fall. Trotzdem sehe ich einige der Vorteile eines Borg-Würfels hier realisiert, allerdings auf deutlich langsameren Zeitskalen. Neue Theorien herleiten, Experimente durchführen, Techniken weiterentwickeln und daraus neue Erkenntnisse schließen können wir nicht in Millisekunden, sondern es dauert Jahre. Allerdings beschleunigt sich der Erkenntnisgewinn zusehends, nicht zuletzt auch durch die immer globalere Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern. Ich bin auf die kommenden Jahre gespannt, wenn wir mehr Unterstützung aus dem vollen Spektrum der künstlichen Intelligenz bekommen.

Wissenschaft floriert da am besten, wo experimentelle Techniken und theoretische Methoden gemeinsam weiterentwickelt werden und wo Konkurrenzgedanken durch offenen Gedankenaustausch ersetzt werden. Denn das Zusammenspiel von Theorie und Experiment ist besonders wichtig, sie befruchten sich gegenseitig: Das Experiment prüft die Theorie, und die Theorie inspiriert das Experiment. Schwierig wird es, wenn eines dem anderen weit voraus ist. Dann kann ein Forschungsgebiet ins Stocken geraten, was nicht unbedingt heißt, dass es eine Sackgasse geworden ist. Die Erfolge lassen eben nur länger auf sich warten. 

Das beste Beispiel hierfür sind die Gravitationswellen, die Albert Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagte. Es hat hundert Jahre gedauert, bis die experimentellen Möglichkeiten geschaffen wurden, Gravitationswellen experimentell nachzuweisen. Erst damit sind sich Theorie und Experiment wieder nähergekommen. Ähnliche Beispiele, wenn auch selten so extreme, gibt es viele in der Wissenschaft.

Ein besonders interessantes Beispiel kommt jüngst aus der Festkörperphysik, Glenn Wagner und Kollegen stellen es in der aktuellen „Physik in unserer Zeit“ vor. Es geht darum, neue Materialien mit exotischen Eigenschaften herzustellen. Hier ist es wiederum die Theorie, die eine interessante Vorhersage über eine neue Art von Supraleitern macht, die topologischen Supraleiter. Deren Synthese gestaltet sich allerdings als sehr schwierig wegen der vielen Randbedingungen, die erfüllt werden müssen. Je spezieller die gewünschten Eigenschaften sind, umso mehr Abhängigkeiten müssen berücksichtigt werden: In der chemischen Synthese lässt sich nicht einfach eine Eigenschaft ändern, ohne andere Eigenschaften unverändert zu lassen. 

Daher muss man neue Wege versuchen. Wenn man ein großes Problem nicht lösen kann, muss man es verkleinern, um es handlicher zu machen. Hier gilt das sogar im wahrsten Sinne des Wortes, denn das Team aus Theoretikern und Experimentatoren hat es geschafft, einzelne Atome so zu einer neuen Struktur zusammenzubauen, dass die Signaturen topologischer Supraleitung zumindest auf atomarer Skala untersucht werden können. 

So kommen sich Theorie und Experiment wieder näher, können wieder besser zusammenarbeiten und sich dem größeren Problem auf einem kleinen Umweg nähern. Das ist im Kleinen ein sehr schönes Beispiel, wie die globale Wissenschaft funktioniert. Übrigens kommt hier fast jeder Beteiligte aus einem anderen Land. Diese wissenschaftliche Freiheit, die keine Grenzen kennt, müssen wir uns unbedingt erhalten.

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