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Wie man neue Quantenmaterialien findet

Wie wäre es, wenn Strom ohne Verluste transportiert werden könnte oder leistungsstarke Quantencomputer realisiert werden könnten? Solche Technologien der Zukunft erfordern neue Materialien mit neuen Eigenschaften. Professor Fabian von Rohr arbeitet zusammen mit seiner Gruppe an der Universität Zürich an deren Entdeckung, indem er chemische mit physikalischen Methoden zu einem holistischen und damit interdisziplinären Designkonzept kombiniert. Für seine Forschung erhält er den Ruzicka-Preis 2021.


Warum Quantenmaterialien? Fabian von Rohr überlegt kurz und wirft einen Blick auf das blinkende Mikrophon am Tisch. „Wir sind von Materialien umgeben“, sagt er schliesslich, „sie sind der Motor des technologischen Fortschritts. Sie sind so fundamental für die Zivilisation, dass sie sogar Namensgeber ganzer Zeitalter sind: von der Bronzezeit bis zum heutigen Siliziumzeitalter.“ Quantenmaterialien – jene Materialien, die Silizium zukünftig wohl ablösen werden, weil es technologisch an seine Grenzen stösst – werden ebenfalls zu diesem Fortschritt beitragen. Allerdings ist dies noch ein langer Weg, weil sie unter anderem schwierig zu finden, zu synthetisieren und zu charakterisieren sind. Ihre Eigenschaften ergeben sich erst aus einem komplexen Zusammenspiel von Faktoren auf der Atom- und Elektronenebene. Ähnlich wie bei einem Vogelschwarm fügen sich einzelne Teile und Eigenschaften zu einem neuen Ganzen, bilden also auf der Makroebene in Summe neue Formen mit neuen Eigenschaften – ein Verhalten, das sich schwer vorhersagen lässt. Fabian von Rohr nutzt dafür mit seinem Team Designkonzepte, welche chemische und physikalische Methoden verbinden: „Weil wir so entdecken können, was noch nie jemand entdeckt hat, hat das grosses Potenzial“, erklärt er voller Begeisterung: „Wir machen zwar Grundlagenforschung – aber findet man das richtige Material, könnte das einen beachtlichen Einfluss haben bis hin zu unserem täglichen Leben.“  


Chemie und Physik gehen Hand in Hand

Für Fabian von Rohr gehören Chemie und Physik zusammen, obwohl sie oft eine andere Sprache sprechen. Dieses Verständnis bildet die Basis seiner Forschung und hat seine Karriere geprägt. Der Solothurner studierte an der ETH Interdisziplinäre Naturwissenschaften. Seine Masterarbeit im Bereich Festkörperchemie absolvierte er bei Robert J. Cava in Princeton, USA, einer der Koryphäen auf diesem Gebiet. „Ab da war klar, dass ich neue Materialien suchen will“, erinnert sich von Rohr. Zurück in Europa stiess er an der Universität Zürich (UZH) auf Andreas Schilling, der bis heute den Weltrekord für die Entdeckung des keramischen Supraleiters (ein sogenanntes Kuprat) mit der höchsten Sprungtemperatur bei Normaldruck hält. Supraleiter sind Materialien, die keinen elektrischen Widerstand mehr aufweisen unterhalb einer kritischen Temperatur. Sie finden derzeit v.a. bei der Erzeugung starker Magnetfelder Einsatz, etwa in der Magnetresonanztomographie (MRT), in der magnetischen Kernresonanz (NMR) oder bei Teilchenbeschleunigern. „Meine Doktorarbeit im Bereich Supraleiter ist am Ende eine Kombinationsarbeit geworden: An der ETH Zürich habe ich bei Reinhard Nesper in der Chemie die Verbindungen synthetisiert und sie dann an der UZH in der Physik bei Andreas Schilling gemessen“, erzählt Fabian von Rohr. Heute leitet er, mittlerweile SNSF Eccellenza Professor am Institut für Chemie der Universität Zürich, seine eigene Forschungsgruppe und findet noch immer: „Die Chemie und Physik an der UZH, ebenso wie jene an der ETH, ergänzen sich wunderbar und können von einem Austausch profitieren.“


Die Entdeckung neuer Quantenmaterialien kann buchstäblich eine "erhellende" Erfahrung sein: Fabian von Rohr und eines seiner Gruppenmitglieder bei der Herstellung von Quarzglasrohren für das Kristallwachstum. Sobald die Proben im Rohr versiegelt sind, können sie für die Synthese auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Bild: Julia Ecker, ETH Zurich.


Neue Materialien finden durch Feedbackschleifen

Wie aber findet man nun Quantenmaterialien, die unter Umständen neue Magnete oder Supraleiter sein können? Um die Dimensionen dieser Nadel im Heuhaufen zu begreifen, stelle man sich folgendes vor: Um den Kupratsupraleiter YBCO (Yttrium Barium Kupferoxid) ohne Vorwissen zu finden, bräuchte es selbst dann 27’000 Jahre wenn man die unglaubliche Anzahl von 105 Proben pro Tag herstellen und charakterisieren könnte (vgl. M. Jansen 2002). „Aus diesem Grund brauchen wir effizientere Methoden, um die Suche zu beschleunigen“, erklärt Fabian von Rohr, „unsere besteht darin, mögliche funktionelle Materialien durch das Verständnis des Zusammenspiels von Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften zu identifizieren.“Konkret läuft es so: Hat man eine Idee basierend z. B. auf einer Struktur, folgt die Synthese des Materials – aus bekannten Grundbausteinen Neues schaffen, für von Rohr der Inbegriff von Chemie. Dann analysiert man die elektronischen Strukturen, etwa die Orbital- und Bandstruktur, welche über die nicht-interagierenden Elektronen Auskunft geben kann. Zudem schaut man sich die Kristallstrukturen der neuen Verbindungen an, untersucht, was passiert, wenn ein Element durch ein anderes ersetzt wird oder wie Eigenschaften verändert werden können. Jede chemische und physikalische Messung gibt also Feedback, auf dessen Basis weitere Schritte folgen, wieder neue Synthesen, neue Strukturanalysen usw., bis man im Idealfall entdeckt, was keiner vorher entdeckt hat.
Auf β-Germanium-Selenid (β-GeSe) stiess Fabian von Rohr z.B., weil er beim Vergleich der Ionenradien und Orbitalgrössen von Germanium-Selenid und Zinn-Selenid (beides potenzielle Materialien für Photovoltaikanwendungen) feststellte, dass die Verbindungen strukturell nahe an der Struktur von NaCl liegen müssten und nicht in der Nähe von schwarzem Phosphor. Bei einer Hochdrucksynthese mit einem Druck von 6 GPa (entspricht ungefähr dem 60-tausendfachen des Druckes an der Erdoberfläche) und 1200 °C erhielt er vorher unbekannte Kristalle (vgl. F. von Rohr et al. 2017). Die Kristalle hatten jedoch keine NaCl-Struktur, sondern zeigten einen völlig neuen Strukturtyp, der sich Schicht für Schicht auseinandernehmen liess – eine wertvolle Eigenschaft, die extreme chemische Variabilität erlaubt. „Man kann diese Verbindung bis auf Monolagen exfolieren oder etwa Lithium einbauen, dadurch verändert man die Elektronenanzahl auf kontrollierte Weise und könnte so die Eigenschaften präzise weiter verändern“, erklärt von Rohr.  
Kürzlich gelang ihm und seiner Gruppe auch der Fund von Supraleitern mit speziellen Eigenschaften, sogenannten η-Carbiden, insbesondere von Niob-4-Rhodium-2-Carbid (Nb4Rh2C1−δ). Diese Verbindung weist dieselbe kritische Temperatur auf wie das bei NMR gebräuchliche Niob-Titan, aber gleichzeitig besitzt sie ein extrem hohes oberes kritisches Feld, eine wichtige Grösse für die Realisierung von supraleitenden Magneten (vgl. K. Ma et al. 2021). „Die Frage ist immer: Was lässt die Chemie überhaupt zu? Natürlich versuchen wir hier die Grenzen des Möglichen mit weiterentwickelten Syntheseverfahren auszureizen», erklärt von Rohr, „besonders wichtig ist dabei auch die chemische Komplexität. Eine Niobverbindung muss zum Beispiel nicht die gleichen Eigenschaften aufweisen wie die isostrukturelle Tantalverbindung. Selbst bei sehr ähnlichen Bandstrukturen von Elementen kann ein geringfügiger Unterschied die Eigenschaften eines Materials bereits stark beeinflussen.“ Das mache die Sache spannend.


Ein Fall für Teamwork und Kreativität

Machbar wäre die Suche nach Quantenmaterialien alleine nicht, „das ist ein Teamsport“, betont von Rohr. Mit der seiner Gruppe und anderen Wissenschaftler:innen zusammenarbeiten zu dürfen, zu lehren, das sei ein Privileg. „Wir arbeiten hier ja sehr kreativ: tauschen uns über Publikationen und Ideen aus, diskutieren Strukturen und Daten, jeden Tag. Ich liebe diesen Dialog und auch den Prozess, wenn aus den Rohdaten eine Publikation entsteht. Es ist fantastisch, einer der ersten zu sein, der eine neue Substanz in der Hand hält, einen neuen Supraleiter oder Magneten. Als Grundlagenforscher wollen wir einfach die spannendsten Materialien mit den interessantesten Eigenschaften entdecken und hoffen, dass es Leute gibt, die diese weiterentwickeln.“ Ab Frühling 2022 wird Fabian von Rohr diesem Ziel in Genf nachgehen, wo er eine Ausserordentliche Professur am Departement für Quantum Matter Physics antreten wird. Schon stapeln sich die Umzugskartons in seinen Laboren und vermutlich auch bald zu Hause, denn seine Partnerin, eine Physikerin und Verhandlungswissenschaftlerin, und ihre beiden gemeinsamen Söhne werden ihn begleiten. Zuvor darf Fabian von Rohr aber noch einen Preis entgegennehmen, an dem Ort, wo für ihn alles begann. An der ETH Zürich wird ihm am 18. November für seine Leistungen auf dem Gebiet der Quantenmaterialien der Ruzicka Preis 2021 verliehen.