technologiewerte.de – MOOCblick August 2021

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Energy Within Environmental Constraints
David Keith (Harvard University) et al.
Start: flexibel / Arbeitsaufwand: 30-50 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Student, Erfinder, 3D-Druck-Gründer

Pressemitteilung der Hochschule Coburg vom 27.07.2021

Adrian Beetz störte, dass er mit seinem 3D-Drucker nur ein Material verarbeiten konnte. In seiner Masterarbeit an der Hochschule Coburg löste er das Problem und entwickelte Ideen für zusätzliche Funktionen. Er wurde zum Unternehmensgründer und seine Erfindung ist mittlerweile serienreif.

Die Technik funktioniert ähnlich wie die Spritztülle einer Bäckerei: Schicht für Schicht wird Material aufgetragen und dabei verschmolzen. Ein dreidimensionales Objekt wird „gedruckt“. Fachleute sprechen von additiver Fertigung und bei der weit verbreiteten Variante mit thermoplastischem Material meist von „Fused Layer Modeling“. Allgemein hat sich längst der Begriff 3D-Druck durchgesetzt und immer mehr Menschen nutzen es.

Auch Adrian Beetz hatte als Student so einen 3D-Drucker zu Hause, aber zufrieden war er damit nicht. „Weil ich in einem Druckauftrag nur ein Material drucken konnte. Ich wollte aber mehr Flexibilität.“ Nach seinem Mechatronik-Bachelor in Aschaffenburg hatte sich der Unterfranke für einen Master im Fach Entwicklung und Management im Maschinen- und Automobilbau an der Hochschule Coburg entschieden. Er nahm sich vor, in seiner Masterarbeit einen 3D-Drucker zu entwickeln, der Objekte aus mehreren Werkstoffen drucken kann und dabei noch weitere Funktionen im Produktionsprozess übernimmt. Mit der Idee wandte er sich an Prof. Dr. Markus Stark, der unter anderem auch das Labor für Prototypen- und Modelltechnik an der Hochschule leitet – und gleich von dem Projekt angetan war. „Ich habe das sehr gerne unterstützt!“

Die Hochschule half fachlich und stellte das Material zur Verfügung. Beetz suchte eine Lösung für die verschiedenen Düsenarten, -durchmesser und Schmelzpunkte der unterschiedlichen Materialien. Er erfand einen automatischen Werkzeugwechsler und entwickelte ihn weiter, außerdem plant er beispielsweise, dass die Teile automatisch eingelegt werden und eine Zwischen- und Nachbearbeitung der Oberfläche erfolgen kann.

Start in einer gemieteten Werkstatt

Mit der ersten Variante des Geräts können vier Werkstoffe gleichzeitig verarbeitet werden „Es hat jetzt Serienreife erreicht“, sagt Beetz. Das erste Exemplar bekam die Hochschule Coburg. Bei der Übergabe erzählt der Absolvent vom Nachfolgemodell, an dem er gerade arbeitet. Es soll fünf Materialien gleichzeitig drucken. „An manchen Stellen wird sehr festes Material benötigt, woanders ist etwas elastisches sinnvoll und wiederum an anderer Stelle ist vielleicht eher ein möglichst geringer Verschleiß entscheidend“, erklärt der Ingenieur. Das Filament, also den Kunststoffdraht, der verschmolzen wird, gibt es aus allen möglichen Materialien. „Es kann auch leitfähig sein, wenn elektrische Funktionen im Bauteil integriert werden sollen.“

Das Patent hat Beetz bereits im Februar 2020 angemeldet, im Februar 2021 gründete er seine Firma AB-3D in der Nähe von Würzburg. Hauptberuflich arbeitet er bei einem Maschinenbauer. Seine 3D-Drucker baut der 28-Jährige nebenbei in einer gemieteten Werkstatt. „Aber ich bin dabei, das Geschäft auszubauen. Vor allem suche ich Teammitglieder für den Vertrieb.“ Zielgruppe sind besonders kleine und mittelständische Unternehmen. (Natalie Schalk)

Externer Link: www.hs-coburg.de

Quantensimulator überflügelt Computer

Presseaussendung der Universität Innsbruck vom 16.07.2021

In der Fachzeitschrift Nature haben Innsbrucker Physiker um Andreas Läuchli gemeinsam mit Kollegen in Frankreich einen Quantensimulator für große Vielteilchensysteme präsentiert. Die Wissenschaftler konnten mit dem Simulator antiferromagnetische Materiezustände mit bis zu 200 Atomen erzeugen. Mit klassischen Simulationen lassen sich solche Festkörperphänomene kaum mehr untersuchen.

Quanteneigenschaften in Festkörpern lassen sich nur sehr schwer analysieren. Quantensimulatoren bieten hier neue Möglichkeiten: Mit ihnen können die Wechselwirkungen einzelner Teilchen in einem Vielteilchensystem unter sehr gut kontrollierten Bedingungen studiert werden. Gemeinsam mit Experimentalphysikern am Laboratoire Charles Fabry der Universität Paris-Saclay hat das Team um Andreas Läuchli vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck nun einen Quantensimulator mit bis zu 200 Atomen präsentiert. „Im Vergleich zu bisher verfügbaren Systemen stellt dies einen Meilenstein dar“, freut sich Andreas Läuchli. „Wir kommen hier in eine Größenordnung, in der klassische Computersimulationen an ihre Grenzen stoßen.“

Materialproben von beliebigem Zuschnitt

Das Experiment der französischen Physiker kann bis zu 200 Rubidium-Atome mit optischen Pinzetten einfangen und miteinander zur Wechselwirkung bringen. Mit Hilfe der Pinzetten lassen sich dabei beliebige Anordnungen erzeugen. Die Atome werden zunächst in den Grundzustand gekühlt und dann mit Hilfe von Laserlicht einzeln angeregt. Die Anregung in den sogenannten Rydberg-Zustand, bei dem die Elektronenwolke um den Atomkern eine riesige Ausdehnung erreicht, führt zur Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomen. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel antiferromagnetische Materie nachbilden. Im Experiment wurden Antiferromagneten auf Quadratgittern und Dreiecksgittern erzeugt. „Die Dreiecksgitter sind unsere Spezialität“, betont Michael Schuler, der zur Zeit der Entstehung der Studie Post-Doc an der TU Wien war. „Hier konnten wir sogar zwei unterschiedliche antiferromagnetische Zustände erzeugen.“

Quantensimulator überlegen?

An der Universität Innsbruck haben die Theoretiker um Andreas Läuchli die untersuchten Materiezustände mit Hilfe von Computersimulationen auf Hochleistungsrechnern überprüft. „Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung mit dem Experiment“, sagt Alexander Eberharter. Diese Überprüfung am Computer kommt freilich an ihre Grenzen: Während die Simulation für 100 Teilchen auf dem Hochleistungsrechner LEO der Universität Innsbruck bereits mehrere Wochen gedauert hat, liefert der Quantensimulator Ergebnisse für 200 Teilchen in weniger als einem Tag. Mit der Größe der erzeugten Gitter und der damit steigenden Anzahl von Teilchen, wächst der Aufwand für die Computersimulation exponentiell an. „Die nächste Generation von Experimenten mit einigen Hundert Atomen wird somit in einen Bereich vorstoßen, in dem Computersimulationen mit einem vertretbaren Aufwand keine exakten Ergebnisse mehr liefern können.“ Unabhängig davon bleiben die Simulationen der Theoretischen Physiker für die Beschreibung und Validierung der Experimente wichtig. Auch liefern sie Hinweise, in welchen Bereichen der Quantensimulator weiter verbessert werden kann.

Optimierungsprobleme lösen

Der auf Rydberg-Atomen basierende Quantensimulator bietet nicht nur die Möglichkeit, Phänomene der Festkörperphysik im Detail zu studieren. „Es gibt zahlreiche Vorschläge, auch von Kollegen an unserem Institut, solche Systeme für die Lösung von Optimierungsproblemen einzusetzen“, sagt Andreas Läuchli. Ob dies tatsächlich möglich ist, bleibt vorerst noch offen. „Mit der aktuellen Arbeit haben wir jedenfalls einen wichtigen Schritt in diese Richtung gemacht.“

Die Arbeit wurde unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Hochtemperatur-Supraleitung verstehen – mit ultratiefen Temperaturen

Presseaussendung der TU Wien vom 21.07.2021

Eine überraschende Entdeckung an der TU Wien könnte helfen, das Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung zu lösen: Ein berühmtes „Strange Metal“ stellte sich als Supraleiter heraus.

Bei tiefen Temperaturen verlieren bestimmte Materialien ihren elektrischen Widerstand und können Strom völlig verlustfrei leiten – dieses Phänomen, die Supraleitung, ist zwar schon seit 1911 bekannt, doch bis heute ist es nicht vollständig verstanden. Und das ist schade, denn ein Material, das auch bei hohen Temperaturen immer noch supraleitende Eigenschaften hätte, würde wohl eine technologische Revolution auslösen.

An der TU Wien gelang nun eine Entdeckung, die ein wichtiger Schritt in diese Richtung sein könnte: Ein Festkörperphysik-Forschungsteam untersuchte ein ungewöhnliches Material – ein sogenanntes „Strange Metal“ aus Ytterbium, Rhodium und Silizium. Strange Metals zeigen einen ungewöhnlichen Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur. Bei diesem Material ist dieser Zusammenhang in einem besonders großen Temperaturbereich zu sehen, und der zugrundeliegende Mechanismus ist bekannt. Entgegen bisheriger Annahmen stellte sich nun heraus, dass dieses Material außerdem ein Supraleiter ist und die Supraleitung eng mit dem Strange-Metal-Verhalten in Verbindung steht. Das könnte der Schlüssel zum Verständnis von Hochtemperatur-Supraleitung auch in anderen Materialklassen sein.

Strange Metal: linearer Zusammenhang von Widerstand und Temperatur

Bei gewöhnlichen Metallen steigt der elektrische Widerstand bei tiefen Temperaturen mit dem Quadrat der Temperatur. Bei manchen Hochtemperatur-Supraleitern ist die Situation aber völlig anders: Bei tiefen Temperaturen, unterhalb der sogenannten supraleitenden Sprungtemperatur, zeigen sie überhaupt keinen elektrischen Widerstand, und oberhalb dieser Temperatur steigt der Widerstand linear statt quadratisch mit der Temperatur. Man spricht in diesem Fall von „Strange Metals“ – von „seltsamen Metallen“.

„Man hat daher in den letzten Jahren bereits vermutet, dass dieser lineare Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur eine ganz wichtige Bedeutung für die Supraleitung hat“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen, die am Institut für Festkörperphysik der TU Wien den Forschungsbereich „Quantum Materials“ leitet. „Doch leider kannte man bisher kein geeignetes Material, um das wirklich gut untersuchen zu können.“ Bei Hochtemperatur-Supraleitern ist der lineare Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand meist nur in einem relativ kleinen Temperaturbereich nachweisbar und außerdem können verschiedene komplizierte Effekte, die bei höheren Temperaturen unweigerlich auftreten, diesen Zusammenhang auf komplizierte Weise beeinflussen.

Viele Experimente wurden mit einem exotischen Material (YbRh2Si2) durchgeführt, in dem das Strange-Metal-Verhalten in einem extrem weiten Temperaturbereich sichtbar ist – doch erstaunlicherweise schien gerade aus diesem extremen „Strange Metal“-Zustand heraus keine Supraleitung zu entstehen. „Es gab bereits theoretische Überlegungen, um zu begründen, warum Supraleitung hier einfach nicht möglich ist“, sagt Silke Bühler-Paschen. „Wir beschlossen trotzdem, uns dieses Material noch einmal näher anzusehen.“

Rekordverdächtige Kälte

An der TU Wien steht ein besonders leistungsfähiges Tieftemperaturlabor zur Verfügung. „Dort können wir Materialien bei extremeren Bedingungen untersuchen als das anderen Forschungsgruppen bisher möglich war“, erklärt Silke Bühler-Paschen. So konnte man zunächst zeigen, dass in YbRh2Si2 der lineare Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur sogar in einem noch größeren Temperaturbereich gegeben ist als bisher gedacht – und dann gelang die entscheidende Entdeckung: Bei extrem tiefen Temperaturen von nur einem Millikelvin wird aus dem Strange Metal ein Supraleiter.

„Damit ist unser Material optimal geeignet, um herauszufinden, auf welche Weise das Strange-Metal-Verhalten zur Supraleitung führt“, sagt Silke Bühler-Paschen.

Paradoxerweise sorgt gerade die Tatsache, dass das Material erst bei sehr tiefen Temperaturen supraleitend wird, dafür, dass sich damit Hochtemperatur-Supraleitung besonders gut erforschen lässt: „Die Mechanismen, die zu Supraleitung führen, sind bei diesen extrem niedrigen Temperaturen besonders gut sichtbar, weil sie dort nicht von anderen Effekten überlagert werden. In unserem Material ist dies die Lokalisierung eines Teils der Leitungselektronen an einem quantenkritischen Punkt. Es erscheint wahrscheinlich, dass derselbe Mechanismus auch für das Verhalten von Hochtemperatur-Supraleitern wie den berühmten Cupraten verantwortlich ist“, sagt Silke Bühler-Paschen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
D.H. Nguyen et al., Superconductivity in an extreme strange metal, Nature Communications (2021).

Externer Link: www.tuwien.at