Materialforschung

Die operando-Röntgenspektroskopie erlaubt einen Blick ins Innere laufender Chemiereaktoren. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), am Paul Scherrer Institut PSI und an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich setzen die Methode erfolgreich ein.

Forschende am PSI haben ein Material untersucht, das sich für zukünftige Anwendungen in der Datenspeicherung eignen könnte. Mit einem Trick haben sie die Kristallstruktur ihrer Probe gezielt verzerrt und dabei vermessen, wie dies die magnetischen und elektronischen Eigenschaften beeinflusst.

Zeolithe sind bereits heute unerlässliche Hilfsmittel in der chemischen Industrie – Forschende vom Paul Scherrer Institut PSI und von der ETH Zürich schlagen jetzt Wege vor, diese noch leistungsstärker zu machen.

Tomogramme aus dem Inneren von Fossilien, Hirnzellen oder Computerchips liefern neue Erkenntnisse über feinste Strukturen. Die 3-D-Bilder gelingen mithilfe der Röntgenstrahlen der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS dank eigens entwickelter Detektoren und raffinierter Computeralgorithmen.

Mit einer neu entwickelten Untersuchungsmethode konnten Forschende die magnetische Struktur im Inneren eines Materials mit Nanometer-Auflösung abbilden. Ihnen gelang ein kurzer «Film» aus sieben Bildern, der erstmalig in 3-D zeigt, wie sich winzige Wirbel der Magnetisierung tief im Inneren eines Materials verändern.

Traditionell werden Geigen lackiert, um sie vor Luftfeuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen zu schützen. Ein Wissenschaftler-Team hat am PSI untersucht, welchen Einfluss unterschiedliche Anstriche auf das Instrument haben. Tatsächlich sollte man auf den Lack keinesfalls komplett verzichten.

Er erinnert an einen Papiervogel, der mithilfe der japanischen Faltkunst Origami gefertigt wurde: ein Mikroroboter, der die Kraft von Magnetfeldern nutzt, um sich zu bewegen. Unter anderem in der Medizin könnten solche winzigen Maschinen bei Operationen zum Einsatz kommen.

Drei Forscher teilen sich dieses Jahr den Nobelpreis in Chemie. Sie werden ausgezeichnet für ihren jeweiligen Beitrag zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien. Petr Novák forscht am PSI ebenfalls in diesem Bereich und kennt die drei Preisträger seit Jahrzehnten persönlich. Im Interview erzählt er, wie er einem von ihnen im entscheidenden Moment gegenübersass.

Die neueste Grossforschungsanlage am PSI, der SwissFEL, ist fertiggestellt. Im Januar 2019 begann der Regelbetrieb. Henrik Lemke, Leiter der Gruppe SwissFEL Bernina, zieht eine erste Zwischenbilanz.

Erstmals haben PSI-Forschende mithilfe von Neutronen auch sehr starke Magnetfelder sichtbar gemacht, die bis zu eine Million Mal stärker sind als das Erdmagnetfeld. Damit lassen sich nun auch Magnete untersuchen, die bereits in Geräte wie Magnetresonanztomografen oder Lichtmaschinen eingebaut sind.

Eine besondere Art von Teilchen, sogenannte Weyl-Fermionen, waren bislang nur in bestimmten nicht-magnetischen Materialien gefunden worden. Jetzt aber haben PSI-Forschende sie erstmals auch in einem besonderen paramagnetischen Material experimentell nachgewiesen.

PSI-Forschende haben ein Material entwickelt, dessen Formgedächtnis durch Magnetismus aktiviert wird. Anwendungsgebiete für diese neue Art von Verbundstoffen sind beispielsweise Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik.

Forschende des PSI haben an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS ein neuartiges kristallines Material untersucht, das bislang nie gesehene elektronische Eigenschaften zeigt. Unter anderem konnten sie eine neue Sorte Quasiteilchen nachweisen: sogenannte Rarita-Schwinger-Fermionen.

Forschende des PSI haben mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS ein neues Phänomen des Magnetismus entdeckt. Dabei verhalten sich bestimmte Atomgruppen wie ein Kompass, der nach Westen zeigt. Damit könnten Computer wesentlich leistungsfähiger werden.

Kleiner, schneller und vor allem energieeffizienter soll die Elektronik werden. Auch in mehreren Forschungsgruppen am PSI sind diese Themen präsent. Von schrittweisen Verbesserungen bis zum kompletten Umdenken – wer tüftelt derzeit woran?

Macht man elektronische Bauteile kleiner, werden sie leider heisser. Auch ist bald die Grenze der technisch machbaren Verkleinerung erreicht. Am PSI arbeiten Gabriel Aeppli und Christian Rüegg an grundlegend neuen, physikalischen Lösungen für bessere Rechner und Datenspeicher.

Ein Team mit drei Forschenden aus dem ETH-Bereich wurde mit einem prestigeträchtigen EU-Förderpreis ausgezeichnet. Heute erhielten sie den von der EU unterzeichneten Vertrag zur Bestätigung der ausserordentlich hohen Finanzierung in Höhe von 14 Millionen Euro. Damit werden sie Quanteneffekte untersuchen, die das Rückgrat der Elektronik der Zukunft bilden könnten.

Vom Einsatz multiferroischer Materialien verspricht man sich energiesparsamere Computer, weil für die magnetische Datenspeicherung ein elektrisches Feld ausreichen würde. Forschende am PSI haben ein solches Material jetzt für die Betriebstemperaturen von Computern tauglich gemacht.

Von einem neuartigen Leistungstransistor aus Galliumnitrid verspricht sich die Elektronikindustrie erhebliche Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Hochfrequenztransistoren. Doch noch sind eine Vielzahl grundlegender Eigenschaften des Materials unbekannt. Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben nun erstmals den Elektronen im angesagten Transistor beim Fliessen zugeschaut. Sie nutzten dafür eine der weltweit besten Quellen für weiches Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI.