Zukunftstechnologien

Untersuchungen am PSI haben es möglich gemacht, zu bestimmen, wie ein einzigartiges bronzezeitliches Beil hergestellt worden ist. Zu verdanken ist das dem Verfahren der Neutronentomografie, mit der man ein genaues dreidimensionales Abbild des Inneren eines Gegenstandes erzeugen kann. Seit einem Jahrzehnt kooperiert das PSI erfolgreich mit verschiedenen Museen und archäologischen Institutionen im In- und Ausland. Es ist ein deutliches Zeichen der etablierten Kooperation, dass der 18. Internationale Kongress über Antike Bronzen, der vom 3. - 7. September 2013 an der Universität Zürich stattfindet, auch einen Tag am PSI tagt.

Ein Terahertzlaser, der am Paul Scherrer Institut entwickelt worden ist, macht es möglich, die Magnetisierung eines Materials in Zeiträumen von Pikosekunden gezielt zu steuern. In ihrem Experiment leuchteten die Forscher mit extrem kurzen Lichtpulsen aus dem Laser auf ein magnetisiertes Material. Das magnetische Feld des Lichtpulses konnte die magnetischen Momente aus ihrer Ruhelage auslenken und zwar so, dass sie mit einer geringen Verzögerung exakt dem Verlauf des Magnetfeldes des Lasers folgten. Der in dem Experiment verwendete Terahertzlaser ist einer der stärksten seiner Art weltweit.

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI haben dünne, kristalline Schichten des Materials LuMnO₃ hergestellt, die gleichzeitig ferromagnetisch und antiferromagnetisch sind. Die LuMnO₃-Schicht ist in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche zum Trägerkristall ferromagnetisch; mit zunehmendem Abstand nimmt sie die für das Material sonst übliche antiferromagnetische Ordnung an, während der Ferromagnetismus immer schwächer wird. Die Möglichkeit, zwei verschiedene magnetische Ordnungen innerhalb eines Materials zu erzeugen, könnte von grosser technischer Bedeutung sein.

In den Reinräumen des Paul Scherrer Instituts PSI laufen hochempfindliche Prozesse ab. Ein einziges Staubteilchen am falschen Ort könnte fatale Folgen haben. Ein Blick hinter die Kulissen in Räume, in denen der Sauberkeit wegen sogar Bleistifte verboten sind.

Myonen à instabile Elementarteilchen à bieten Forschenden wichtige Einblicke in den Aufbau der Materie. Sie liefern Informationen über Vorgänge in modernen Materialien, über die Eigenschaften von Elementarteilchen und über die Grundstrukturen der physikalischen Welt. Viele Myonenexperimente sind nur am Paul Scherrer Institut möglich, weil hier besonders intensive Myonenstrahlen zur Verfügung stehen.

Wissenschaftler untersuchen an Nano-Stäbchen, wie sich Materie ordnetUm die magnetischen Wechselwirkungen zwischen Atomen sichtbar zu machen, haben Forschende am PSI ein Modellsystem entwickelt. Es ist so gross, dass es sich bequem unter einem Röntgenmikroskop beobachten lässt und imitiert doch die kleinsten Bewegungen in der Natur. Das Modell: Ringe aus jeweils sechs nanometergrossen magnetischen Stäbchen. Bei Raumtemperatur schwanken die Magnetisierungsrichtungen der einzelnen kleinen Stäbchen ständig und auf natürliche Weise. Die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Stäbchen konnten die Wissenschaftler deshalb in Echtzeit beobachten.

Forscher des PSI und der ETH Zürich haben mit Kollegen vom Politecnico di Milano in der aktuellen Ausgabe der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Nature Photonics" eine Methode erarbeitet, einen Laser zu entwickeln, der schon bald in den neuesten Computern eingesetzt werden könnte. Damit könnte die Geschwindigkeit, mit der einzelne Prozessorkerne im Chip miteinander kommunizieren, drastisch erhöht werden. So würde die Leistung der Rechner weiter steigen.

An Freie-Elektronen-Röntgen-Lasern wie dem zukünftigen SwissFEL des Paul Scherrer Instituts PSI sollen unter anderem die Strukturen von komplexen Nanoteilchen bis hin zu Biomolekülen untersucht werden. Dabei ist nicht nur die eigentliche Messung eine Herausforderung, sondern auch die Rekonstruktion der Struktur aus den Messdaten. Forscher des PSI haben nun einen optimierten mathematischen Weg aufgezeigt, wie man aus so gewonnen Messdaten eine deutlich bessere Auflösung bei der Bestimmung der Struktur eines einzelnen Teilchens erhält. Das Verfahren wurde an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI erfolgreich getestet.

Am liebsten würden sie durch das Metallgehäuse der Kupplung hindurchsehen, die Entwickler der Firma LuK (D). Sie möchten beobachten, wie sich das Öl verteilt, das die Kupplung schmiert und kühlt. Eine transparente Scheibe ist aber rasch verschmutzt und Röntgenstrahlen zeigen nur das Metall. Die Ingenieure wandten sich deshalb an die Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts, die mit Neutronen das Metall durchleuchteten und das Schmieröl sichtbar machten. Vom Resultat waren alle überrascht: Nur drei von acht Lamellen waren ausreichend geschmiert.

Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts haben zusammen mit chinesischen und deutschen Forscherkollegen neue Erkenntnisse zu einer Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern gewonnen. Die experimentellen Ergebnisse aus der Grundlagenforschung deuten darauf hin, dass magnetische Wechselwirkungen für das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung von zentraler Bedeutung sind. Dieses Wissen könnte in Zukunft dazu beitragen, Supraleiter mit besseren technischen Eigenschaften zu entwickeln.

Mit Röntgenstrahlen kann die Nanostruktur von so unterschiedlichen Objekten untersucht werden, wie einzelne Zellen oder magnetische Datenträger. Hochauflösende Bilder sind jedoch nur möglich, wenn sowohl Mikroskop als auch das Untersuchungsobjekt extrem stabil sind. Forscher der TU München des PSI zeigten nun, wie man diese Bedingungen lockern kann, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen. Auch hochdynamische Systeme, wie z.B. magnetische Fluktuationen, die die Lebensdauer von Daten auf Festplatten einschränken, können mit der neuen Methodik untersucht werden.

Forscher des Paul Scherrer Instituts und des Indian Institute of Science Education and Research haben in einer Anordnung magnetischer Moleküle gezielt den Magnetismus in jedem zweiten Molekül „abschalten“ können, so dass ein magnetisches Schachbrettmuster entstand. Darin konnten die Forscher gezielt den Quantenzustand eines Teils der Moleküle manipulieren. Die Möglichkeit, die Zustände einzelner Quantenobjekte gezielt zu verändern, ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern.

Interview mit Thomas HuthwelkerDas Paul Scherrer Institut stellt Forschenden aus aller Welt seine Forschungsanlagen für ihre wissenschaftliche Arbeit zur Verfügung. Damit diese optimale Bedingungen antreffen treiben die PSI-Mitarbeitenden im Hintergrund beträchtlichen Aufwand. Ein Interview mit einem Forscher erlaubt einen Blick hinter die Kulissen. Das Interview stammt aus der neuesten Ausgabe des PSI-Magazins Fenster zur Forschung.

Zieht man ein Stück Silizium auseinander, erzeugt man in dessen Inneren eine mechanische Spannung, die die elektronischen Eigenschaften des Materials deutlich verbessern kann. Forscher des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich haben mit einem neuen Verfahren in einer Siliziumschicht extrem verspannte Nanodrähte erzeugt. Für ein Material, das als Grundlage für Elektronikbauteile dienen kann, wurde dabei die bislang höchste mechanische Spannung gemessen. Ziel ist es, auf Basis solcher Drähte leistungsfähige Transistoren für Mikroprozessoren herzustellen.

Forscher des Paul Scherrer Instituts haben untersucht, wie man das Halbleitermaterial Germanium dazu bringen könnte, Laserlicht auszusenden. Als Lasermaterial könnte Germanium mit Silizium die Grundlage für neuartige Computerchips bilden, in denen Informationen zum Teil in Form von Licht übertragen würden. Diese Technologie würde es ermöglichen, den Datenfluss auf Chips zu revolutionieren und so die Leistung der Elektronik weiter voranzutreiben.

Eine neue Röntgenmethode erlaubt Einblicke in die magnetischen Eigenschaften einzelner Atomlagen eines Materials, das die Grundlage einiger Hochtemperatursupraleiter bildet. Dabei zeigte sich, dass sich die atomar dünnen Materialschichten in den magnetischen Eigenschaften erstaunlich wenig von makroskopisch dicken Materialproben unterscheiden. In Zukunft könnte man so Vorgänge in sehr dünnen Supraleitermaterialien erforschen und zum Verständnis des Phänomens der Hochtemperatursupraleitung beitragen.

Wie kann es sein, dass zwei Materialien, die keinen Strom leiten, eine elektrisch leitende Schicht bilden, wenn man sie miteinander verbindet? Seit Entdeckung dieses Effekts 2004 haben Forschende verschiedene Ansätze entwickelt, um diese Frage zu beantworten. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Paul Scherrer Instituts die Kontroverse wohl entschieden.

Physiker eines internationalen Forschungsteams konnten am PSI beobachten, wie sich Eigenschaften eines Elektrons von diesem Elektron abtrennen. So entstanden zwei voneinander getrennte Teilchen, die jeweils eine bestimmte Eigenschaft des Elektrons tragen und sich unabhängig voneinander im Ursprungsmaterial, in dem sie erzeugt wurden, frei bewegen können.

Forscher am Paul Scherrer Institut finden heraus, wie lange der Aufbau von Magnetismus in einem Metall dauert und wie der Vorgang abläuft Wenn die Metalllegierung Eisen-Rhodium magnetisiert wird, dauert dieser Prozess deutlich länger als der gegenläufige Vorgang der Entmagnetisierung. Diese Erkenntnis haben Forscher des Paul Scherrer Instituts zusammen mit einem internationalen Forscherteam gewonnen. Die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sind relevant für die Computerindustrie: Sie zeigen, welche Prozesse die Eigenschaften magnetischer Datenspeicherung begrenzen und wo es Potential für Verbesserung gibt.

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Weg aufgezeigt, um Daten auf magnetischen Medien zu speichern. Dabei verwenden die Forschenden kein externes Magnetfeld, sondern setzten stattdessen einen Hitzepuls ein. Diese Methode könnte die Speicherung von mehreren Tausend Gigabyte pro Sekunde erlauben. Das Verfahren wäre viele hundert mal schneller als Technologien, die in heutigen Festplatten genutzt werden und hat das Potenzial, deutlich weniger Energie zu verbrauchen. Mit dem Einsatz moderner lithografischer Verfahren und hochmoderner Röntgenmikrokopie haben Forschende des Paul Scherrer Instituts wesentlich zu dem Ergebnis beigetragen.