Superstoffe aus der Quantenwelt
Quantencomputer sind in aller Munde – doch mindestens genauso spannend: Quantenmaterialien. Anna Galler vom Institut für Theoretische Physik an der TU Graz liefert mit mathematischen Modellen die Grundlagen für eine neue Generation von Halbleitern und Sensoren. Der Schlüssel für biegsame Displays, ultradünne Wearables & Co.
Ein Hightech-Labor mit modernen Apparaturen, nervös blinkenden Instrumenten und betriebsamen Menschen in Laborkitteln? Mitnichten. Der Arbeitsplatz von Anna Galler hat mit dem Klischeebild von Forschung wenig gemein. Die Wirkungsstätte der Physikerin ist ein gewöhnliches Büro im 3. Stock des TU-Graz-Campus Petersgasse in Graz: ein paar Bücher im Regal, ein Whiteboard mit einer mathematischen Formel und ein Computer auf dem Schreibtisch.
Hier verbringt die gebürtige Südtirolerin den Großteil ihrer Arbeitszeit – und dringt dabei nicht nur tief ins Innerste von Atomen vor, sondern weit in die Zukunft von Halbleitern und Mikroelektronik. Konkret: Galler entwickelt Computermethoden, um die Eigenschaften zweidimensionaler Quantenmaterialien vorherzusagen. Moment! Quanten? 2D? „Zweidimensional bedeutet, dass es sich um extrem dünne Materialien handelt, oft nur eine Atomlage dick. Graphen ist das bekannteste Beispiel“, erklärt die Forscherin.
„Aufgrund des großen Anwendungspotenzials liegt weltweit derzeit viel Augenmerk auf 2D-Quantenmaterialien – ein echtes Zukunftsfeld.“
„Und von Quantenmaterialien sprechen wir dann, wenn ihre Eigenschaften durch quantenmechanische Wechselwirkungen von Atomen und Elektronen bestimmt werden. Das heißt, die Quanteneffekte im Inneren legen fest, ob ein Material z.B. elektrisch leitfähig oder magnetisch ist, wie es auf Licht reagiert oder sogar, welche Farbe es hat“, erklärt die Absolventin der Theoretischen Physik an der TU Wien. Klingt kompliziert, ist es auch. Nicht nur für Quanten-Unkundige. „Auch als Forschungsthema ist es sehr komplex“, gesteht Galler. „Aber ich liebe das Tüfteln“, lacht die Forscherin, die theoretische Modelle entwickelt, mit denen sie die relevanten Eigenschaften eines Quantenmaterials – rein mathematisch – simuliert, noch lange bevor das Material im Labor hergestellt wird. „Einerseits geht es darum, das Material und sein Verhalten besser zu verstehen, unabhängig von seinem Nutzen – das ist der Grundlagenanteil in der Forschung“, so Galler. „Andererseits wollen wir natürlich möglichst vielversprechende Kandidaten entdecken, die später einmal in der Industrie Anwendung finden.“ Durch ihre extreme Dünnheit sind diese Materialien, die klingende Namen wie Wolframdiselenid oder Tantaldisulfid tragen, vor allem in der Mikroelektronik von morgen heiß begehrt – speziell jene, die halbleitend sind und damit künftig das 3D-Material Silizium ablösen bzw. ergänzen könnten. Eine Voraussetzung, die das bereits gut erforschte Graphen übrigens nicht erfüllt. „2D-Materialien unterstützen den Trend zur Miniaturisierung. Je dünner, desto biegsamer – klassische Anwendungen der Zukunft sind daher ultradünne Wearables, biegsame Displays und Ähnliches.“ Zudem eröffnen die Materialien neue Perspektiven für optoelektronische Anwendungen wie optische Schalter, Photodetektoren, Lichtemitter und Dünnschichtsolarzellen. Das Spannende: Die Eigenschaften von 2D-Materialien lassen sich gezielt verändern, indem man verschiedene Schichten übereinanderstapelt und sie wie in einem Lego-Baukasten kombiniert.
Anna Galler
- Geboren 1988 in Bozen
- Studium der Theoretischen Physik an der TU Wien sowie Philosophie an der Uni Wien
- Forschungsaufenthalte in Paris (Ecole Polytechnique) und am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg
- Derzeit am Institut für Theoretische Physik der TU Graz wissenschaftlich tätig im Rahmen des vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF geförderten Forschungsprojekts „Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) im Nicht-Gleichgewicht“
- Dabei werden die Materialeigenschaften von klassischen 2D-Quantenmaterialien wie TMDs, die aus einem Übergangsmetall wie Tantal oder Molybdän und einem Chalkogen-Atom wie Schwefel oder Selen bestehen, erforscht.
- online.tugraz.at
Internationales Netzwerk
„Aus diesen Gründen liegt weltweit viel Augenmerk auf diesem Thema – ein echtes Zukunftsfeld“, so Galler, die die Forschungsbedingungen an der TU Graz sehr schätzt. „Im Haus gibt es mit dem Institut für Experimentalphysik auch gleich die Möglichkeit, die Ergebnisse meiner Simulationen zu testen.“ Zudem erlaubt der Zugriff auf den Supercomputer des Austrian Scientific Cluster die Nutzung enormer Rechenleistungen, die für die Modellierung nötig sind. Auch ein internationales Forschungsnetzwerk steht Galler zur Verfügung. Die Physikerin, die bereits Stationen in Wien, Hamburg und Paris absolvierte, nutzte eine Kooperation mit einem Institut in Südkorea für den erfolgreichen Test an dem von ihr simulierten Quantenmaterial Wolframdisulfid. „Internationale Vernetzung und die Präsenz auf Konferenzen sind sehr wichtig, um auf höchstem Level forschen zu können“, so Galler, die ihre Ergebnisse bereits in renommierten Fachzeitschriften wie Nature Communications und dem „Journal of Materials Chemistry C“ publizieren konnte.
„Ich fühle mich sehr wohl in der Grundlagenforschung, freue mich aber natürlich, wenn meine Arbeit einen konkreten Nutzen stiftet und zum technologischen Fortschritt beitragen kann“, betont Galler, die neben ihrem Doktoratsstudium der Theoretischen Physik auch noch ein Philosophie-Studium abschloss. „Darüber hinaus ist es mein Ziel, mich an der TU Graz zu habilitieren“, so Galler. „Die erste Professorin wäre ich zwar nicht, aber Frauen sind in der Physik noch eine klare Minderheit – zum Glück werden es langsam mehr. Das Aufzeigen von Role Models und Initiativen wie der ‚SPIRIT-Award for Women in Science‘ tragen sicherlich dazu bei.“
Fotos: Oliver Wolf
