Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Ein extrem schnelles Mikroskop ermöglicht ungeahnte Einblicke in die Dynamik von Elektronen in Molekülen

Die Max-Planck-Gesellschaft und die Alexander von Humboldt-Stiftung zeichnen Pablo Jarillo-Herrero, Anastassia Alexandrova und Sumit Gulwani aus

Eine neue Technik ermöglicht es, die räumliche Struktur von Polysacchariden mit einem Rastertunnelmikroskop abzubilden

Erstmals lassen sich kristalline Schichten der Edelmetalle erzeugen, die nur aus einer Atomlage bestehen und halbleitend sind

Eine neue Form der Spektroskopie liefert Erkenntnisse für die Entwicklung von widerstandslosen Stromtransportern bei Raumtemperatur

Die Sonne schickt mehr Energie auf die Erde, als die Menschheit benötigt. Forschende um Bettina Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, arbeiten an Materialien, die helfen sollen, dieses großzügige Angebot für viele Zwecke nutzbar zu machen – nicht nur für die Energiewende.

Darauf mussten Pianisten lange Zeit verzichten: das Tastengefühl, das ihnen Elfenbein gibt. Dieter Fischer, Sarah Parks und Jochen Mannhart, die am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart gewöhnlich quantenelektronische Phänomene erforschen, haben Abhilfe geschaffen – mit synthetischem Elfenbein. Nun will ein Start-up-Unternehmen das Material im großen Stil produzieren, und das nicht nur für Pianotasten.

Als Brillanten können sie ein betörendes Feuer versprühen, doch das reizt Jörg Wrachtrup weniger an den Edelsteinen. Der Physikprofessor an der Universität Stuttgart und Fellow am dortigen Max-Planck-Institut für Festkörperforschung arbeitet mit eher unscheinbaren Diamanten. Daraus entwickelt sein Team Sensoren, um die molekulare Maschinerie einer lebenden Zelle live zu beobachten. Von den Einblicken in die Nanowelt könnte auch die Medizin profitieren.

Die Nanoelektronik ist Verheißung und Herausforderung gleichermaßen. Denn in ihren winzigen Dimensionen zeigen Elektronen, die das Betriebsmittel elektronischer Bauteile bilden, manche exotischen Quanteneffekte. Ihr Verhalten in Nanostrukturen untersuchen die Wissenschaftler in Klaus Kerns Abteilung am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart mit extrem empfindlichen Methoden.

In kaum einen Stoff setzen Materialwissenschaftler so große Hoffnungen für die Elektronik der Zukunft wie in Graphen. Die Teams um Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, und um Jurgen Smet, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, arbeiten daran, dass sich diese Hoffnungen erfüllen.

Druckbar, flexibel und preiswert - diese Eigenschaften versprechen Ingenieure sich von der organischen Elektronik. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung untersuchen verschiedene Materialien, aus denen sich rollbare Bildschirme oder billige Chips für Massenprodukte herstellen lassen.

Poly(heptazinimid), ein chemisch robustes und vielseitig einsetzbares Kohlenstoffnitrid, verfügt über einzigartige opto-elektronische und -ionische Eigenschaften. Diese erlauben die simultane Umwandlung und Speicherung von Sonnenlicht in ein und demselben Material. Von klassischer Photokatalyse über Photokatalyse im Dunkeln bis hin zu Sonnenbatterien, lichtgetriebenen Mikroschwimmern und neuartigen Sensoren – Kohlenstoffnitride sind materialchemische Allrounder und eröffnen neue Perspektiven im Grenzgebiet zwischen solarer Energiekonversion und elektrochemischer Energiespeicherung. 

Durch mechanische Spannungen lassen sich die physikalischen Eigenschaften in oxidischen Heterostrukturen gezielt modifizieren. Hierzu haben wir La_0.5Sr_0.5MnO₃-Schichten zwischen La₂CuO₄-Schichten eingebettet und diese auf unterschiedlichen Substraten aufgebracht. Dadurch konnten wir die mechanischen Spannungen innerhalb der LSMO-Schichten systematisch einstellen. Innerhalb der Schichten bestimmen wir die Ladungsverteilung atomar aufgelöst mittels der Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS) und korrelieren diese mit Messungen der Leitfähigkeit sowie der magnetischen Eigenschaften. 

Der Grenzbereich zwischen der Quantenwelt und der Alltagswelt der klassischen Physik erlaubt dieRealisierung von Phänomenen und Bauelementen mit überraschenden, bahnbrechenden Eigenschaften und Funktionen. Die nicht-unitäre Quantenelektronik nutzt diesen Bereich, indem sie gezielt die Entwicklung von Quantenzuständen gemäß der Schrödinger-Gleichung mit Quantensprüngen, der Dekohärenz und dem Kollaps von Quantenwellen kombiniert. Entsprechende elektronische oder photonische Bauelemente verlassen den Rahmen bislang bekannter, grundlegender Gesetze der Physik.      

Mit der Higgs-Spektroskopie haben wir eine neue Methode zur Untersuchung von Quantenmaterialien, insbesondere von Hochtemperatur-Supraleitern, entwickelt. Dazu regen wir mittels Terahertz-Lasern Higgs-Moden als kollektive Schwingungen eines Supraleiters an. So können wir direkt auf die Dynamik des Supraleiters und dessen Kopplungen an externe Moden zugreifen. Neben neuen Einblicken in die Hochtemperatur-Supraleitung und die Möglichkeit zu deren optischer Kontrolle, lässt sich die Higgs-Spektroskopie als neue Methode auch auf Kondensate in weiteren Quantenmaterialien übertragen.

Ein neuartiges Röntgen-Spektrometer erlaubt präzise Untersuchungen kollektiver Anregungen in Quantenmaterialien, auch wenn diese nur in mikrokristalliner Form hergestellt werden können. Erste Experimente mit diesem am MPI für Festkörperforschung entwickelten Instrument liefern eine mikroskopische Erklärung für die außerordentlich hohe magnetische Ordnungstemperatur einer Ruthenium-Verbindung, deren Ursprung zuvor rätselhaft war. Diese Ergebnisse eröffnen vielfältige neue Perspektiven für die Erkundung mikroskopischer Wechselwirkungen und kollektiver Quantenphänomene in Festkörpern.