Effiziente Gastrennung dank poröser Flüssigkeiten

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.08.2020

Neues Material eröffnet die Möglichkeit, beim Abtrennen von Rohstoffen für die Kunststoffindustrie bis zu 80 Prozent Energie einzusparen – Publikation in Nature Materials

Ein Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit Partnern „poröse Flüssigkeiten“ entwickelt: In einem Lösemittel schweben – fein verteilt – Nanoteilchen, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen. Denn die Teilchen besitzen leere Poren, durch deren Öffnungen nur Moleküle einer bestimmten Größe eindringen können. Die porösen Flüssigkeiten lassen sich direkt einsetzen oder zu Membranen verarbeiten, die Propen als Ausgangsstoff für den weit verbreiteten Kunststoff Polypropylen effizient aus Gasgemischen trennen. Die bislang übliche energieaufwendige Destillation könnte somit ersetzt werden. Über die Ergebnisse berichtet das Team in Nature Materials. (DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y).

Propen, auch Propylen genannt, ist einer der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie, von dem jährlich weltweit rund 100 Millionen Tonnen verbraucht werden. Der daraus hergestellte „Massenkunststoff“ Polypropylen wird vor allem in Verpackungsmaterialien eingesetzt, aber beispielsweise auch in der Bau- oder Automobilbranche. Gewonnen wird Propen vor allem bei der Aufbereitung von Rohöl oder natürlichem Erdgas, wobei es durch Destillation von anderen Gasen separiert und gereinigt wird. „In der Fachliteratur geht man davon aus, dass die Gastrennung in der Petrochemie mit Hilfe von Membranen nur ein Fünftel der Energie kosten würde, die für Destillationen benötigt wird. Das bedeutet angesichts des hohen Propen-Bedarfs eine Einsparung riesiger Mengen des Treibhausgases CO2“, so Nachwuchsgruppenleiter Dr. Alexander Knebel vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT, der bis 2019 an der Leibniz Universität Hannover und in Saudi-Arabien forschte.

So könnte es für die petrochemische Industrie erstmals wirtschaftlich interessant werden, für die Abtrennung von Propen auf Membranen zu setzen. In diesem Projekt arbeitete Knebel mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover, der King Abdullah University of Science and Technology und des Deutschen Instituts für Kautschuktechnologie zusammen.

Erstmals Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten

Die Forschenden starteten bei ihrer Arbeit mit dem festen Material ZIF-67 (zeolitic imidazole framework), dessen Atome ein Metall-Organisches Netzwerk mit 0,34 Nanometer breiten Porenöffnungen bilden. Dabei veränderten sie Nanopartikel von ZIF-67 gezielt an der Oberfläche. „Dadurch gelang es uns, erstmals ein Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten wie Cyclohexan, Cyclooctan oder Mesitylen fein zu verteilen, also zu dispergieren“, sagt Knebel. Die entstandene Dispersion nennen die Wissenschaftler poröse Flüssigkeit.

Für den Weg durch eine Säule, die mit der porösen Flüssigkeit gefüllt ist, braucht gasförmiges Propen deutlich länger als beispielsweise Methan. Denn Propen wird in den Poren der Nanopartikel gleichsam festgehalten, die kleineren Methanmoleküle hingegen nicht. „Diese Eigenschaft der Dispersion wollen wir künftig ausnutzen, um flüssige Trennmembranen zu erzeugen“, sagt Knebel.

Doch mit den porösen Flüssigkeiten lassen sich auch feste Trennmembranen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften produzieren. So stellte das Team Membranen aus einem Kunststoff und dem chemisch modifizierten ZIF-67 her. Dabei konnte es den Anteil an modifiziertem ZIF-67 in der Membran bis auf 47,5 Prozent erhöhen, ohne dass diese mechanisch instabil wurde. Leiteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Gasmischung aus gleichen Teilen Propen und Propan über zwei hintereinandergeschaltete Membranen, so erhielten sie Propen mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 Prozent, obwohl sich die beiden Gasmoleküle nur um 0,2 Nanometer in ihrer Größe unterscheiden.

Für den praktischen Einsatz einer solchen Membran ist neben dem Trennvermögen entscheidend, wie hoch die Menge eines Gasgemisches ist, die in einer bestimmten Zeit hindurchgeleitet werden kann. Diese Durchflussrate war bei den neuen Membranen mindestens dreimal so hoch wie bei bisherigen Materialien. Knebel ist aufgrund der erzielten Trennwerte davon überzeugt, dass es sich für die petrochemische Industrie erstmals auszahlen würde, zur Gastrennung Membranen statt herkömmlicher Destillationsverfahren einzusetzen.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Membranen ist, dass möglichst viele Metall-Organische Partikel einheitlich im Kunststoff verteilt werden können und dass die Poren in den Nanopartikeln bei der Membranherstellung nicht durch Lösemittel verstopft sind, also gleichsam leer bleiben. „Beides konnten wir erreichen, weil wir nicht direkt feste Partikel in die Membran eingearbeitet haben, sondern den scheinbaren Umweg über die porösen Flüssigkeiten gegangen sind“, erläutert Knebel. (ffr)

Originalpublikation:
Knebel, A., Bavykina, A., Datta, S., Sundermann, L., Garzon-Tovar, L., Lebedev, Y., Durini, S., Ahmad, R., Kozlov, S. M., Shterk, G., Karunakaran, M., Carja, I. D., Simic, D., Weilert, I., Klüppel, M., Giese, U., Cavallo, L., Rueping, M., Eddaoudi, M., Caro, J., Gascon, J.: Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nature Materials, 2020. DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y

Externer Link: www.kit.edu

Stark lichtabsorbierendes und regelbares Material entwickelt

Medienmitteilung der Universität Basel vom 10.08.2020

Physiker der Universität Basel haben durch die Schichtung verschiedener zweidimensionaler Materialien eine neue Struktur geschaffen, die Licht einer wählbaren Wellenlänge fast vollständig absorbiert. Sie erreichen dies mithilfe von zweilagigem Molybdändisulfid. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften der neuen Struktur ist eine Anwendung als optisches Bauteil oder als Quelle für einzelne Photonen denkbar, die in den Quantenwissenschaften eine wichtige Rolle spielen. Das Fachjournal «Nature Nanotechnology» hat diese Ergebnisse veröffentlicht.

Neue zweidimensionale Materialien sind zurzeit ein wichtiges Forschungsthema weltweit. Dabei sind van-der-Waals-Heterostrukturen, die sich aus einzelnen Lagen unterschiedlicher Materialien zusammensetzen und durch van-der-Waals-Kräfte aneinander haften, von besonderem Interesse. Die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Schichten können zu ganz neuen Eigenschaften des Materials führen.

Zweilagig mit gewünschten Eigenschaften

Es gibt bereits van-der-Waals-Strukturen, die bis zu 100 Prozent des Lichts absorbieren. Einlagige Schichten aus Molybdändisulfid weisen ein solch hohes Absorptionsvermögen auf. Wenn das Licht absorbiert wird, verlässt ein Elektron seinen angestammten Platz im sogenannten Valenzband und hinterlässt dort ein positiv geladenes Loch. Das Elektron gelangt auf ein höheres Energieniveau, in das sogenannte Leitungsband, in dem es sich frei bewegen kann.

Das entstandene Loch und das Elektron ziehen sich durch die Coulombkraft gegenseitig an und es entstehen gebundene Elektronen-Loch-Paare, die auch bei Raumtemperatur stabil sind. Es ist jedoch nicht möglich, in dieser einlagigen Molybdändisulfidschicht zusätzlich einzustellen, welche Wellenlängen an Licht absorbiert werden. «Erst wenn zwei Lagen Molybdändisulfid verwendet werden, kommt die für Anwendungen wichtige Eigenschaft der Regulierbarkeit hinzu», erklärt Prof. Dr. Richard Warburton vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel.

Absorption und Regulierbarkeit

Warburton und seinem Team ist es in enger Zusammenarbeit mit Forschenden aus Frankreich gelungen, eine solche Struktur herzustellen. Die Physikerinnen und Physiker verwendeten eine zweilagige Schicht von Molybdändisulfid, die wie bei einem Sandwich unten und oben von einem Isolator und dem elektrischen Leiter Graphen umgeben ist.

«Wenn wir an die äusseren Graphenschichten dann eine Spannung anlegen, erzeugen wir ein elektrisches Feld, das die Absorptionseigenschaften der beiden Molybdändisulfidschichten beeinflusst», erklärt Nadine Leisgang, Doktorandin im Warburton-Team und Erstautorin der Studie. «Durch die Einstellung dieser angelegten Spannung können wir bestimmen, bei welchen Wellenlängen Elektronen-Loch-Paare in diesen Schichten gebildet werden.»

«Diese Arbeiten können einen neuen Ansatz zur Entwicklung optoelektronischer Geräte wie Modulatoren liefern», erläutert Richard Warburton. Modulatoren dienen dazu, die Amplitude eines Signals gezielt zu verändern. Möglich erscheint auch die Nutzung als Quelle für einzelne Photonen, die in den Quantentechnologien eine wichtige Rolle spielen könnte.

Originalbeitrag:
Nadine Leisgang, Shivangi Shree, Ioannis Paradisanos, Lukas Sponfeldner, Cedric Robert, Delphine Lagarde, Andrea Balocchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Xavier Marie, Richard J. Warburton, Iann C. Gerber and Bernhard Urbaszek:
Giant Stark splitting of an exciton in bilayer MoS2
Nature Nanotechnology (2020), doi: 10.1038/s41565-020-0750-1

Externer Link: www.unibas.ch

Die große Kunst der kleinen Löcher

Presseaussendung der TU Wien vom 03.08.2020

Wie kann man eine atomare Materialschicht perforieren und die darunterliegende unversehrt lassen? An der TU Wien entwickelte man eine Technik zur Bearbeitung von Oberflächen auf atomarer Skala.

Niemand kann eine Pistolenkugel so durch eine Banane schießen, dass die Schale durchlöchert wird, die Banane aber heil bleibt. Auf der Ebene einzelner atomarer Schichten ist ein solches Kunststück nun allerdings gelungen – an der TU Wien wurde eine Nano-Strukturierungs-Methode entwickelt, mit der man bestimmte Materialschichten extrem präzise perforieren und andere völlig unangetastet lassen kann, obwohl das Projektil alle Schichten durchdringt.

Möglich wird das mit Hilfe hochgeladener Ionen. Mit ihnen kann man die Oberflächen neuartiger 2D Materialsysteme gezielt bearbeiten, etwa um bestimmte Metalle auf ihnen zu verankern, die dann als Katalysatoren dienen können. Die neue Methode wurde nun im Fachjournal „ACS Nano“ publiziert.

Neue Materialien aus ultradünnen Schichten

Materialien, die aus mehreren ultradünnen Schichten zusammengesetzt sind, gelten als großes Hoffnungsgebiet der Materialforschung. Seit das Hochleistungsmaterial Graphen erstmals hergestellt wurde, das nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht, werden immer wieder neue Dünnschicht-Materialien entwickelt, oft mit vielversprechenden neuen Eigenschaften.

„Wir untersuchten eine Kombination aus Graphen und Molybdän-Disulfid. Die beiden Materialschichten werden in Kontakt gebracht und haften dann durch schwache van der Waals-Kräfte aneinander“, sagt Dr. Janine Schwestka vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien und Erstautorin der aktuellen Publikation. „Graphen ist ein sehr guter Leiter, Molybdän-Disulfid ist ein Halbleiter, die Kombination könnte etwa zur Herstellung neuartiger Datenspeicher interessant sein.“

Für bestimmte Anwendungen möchte man allerdings die Geometrie des Materials auf einer Skala von Nanometern gezielt bearbeiten – etwa um danach durch zusätzlich aufgebrachte Atomsorten die chemischen Eigenschaften zu verändern, oder auch um die optischen Eigenschaften der Oberfläche zu kontrollieren. „Dafür gibt es unterschiedliche Methoden“, erklärt Janine Schwestka. „Man kann die Oberflächen mit einem Elektronenstrahl verändern oder auch mit einem herkömmlichen Ionenstrahl. Bei einem Zweischicht-System hat man jedoch immer das Problem, dass der Strahl beide Schichten gleichzeitig verändert, auch wenn man eigentlich nur eine davon bearbeiten möchte.“

Zwei Sorten Energie

Wenn man mit einem Ionenstrahl eine Oberfläche bearbeitet, ist es normalerweise die Wucht des Aufpralls der Ionen, die das Material verändert. An der TU Wien hingegen verwendete man relativ langsame Ionen, die dafür aber gleich mehrfach elektrisch geladen sind. „Man muss hier zwei unterschiedliche Formen von Energie unterscheiden“, erklärt Prof. Richard Wilhelm. „Einerseits die kinetische Energie, die von der Geschwindigkeit abhängt, mit der die Ionen auf der Oberfläche einschlagen. Andererseits aber auch die potentielle Energie, die durch die elektrische Ladung der Ionen bestimmt wird. Bei herkömmlichen Methoden war die kinetische Energie entscheidend, uns hingegen ist die potentielle Energie besonders wichtig.“

Zwischen diesen beiden Energieformen gibt es einen wichtigen Unterschied: Während die kinetische Energie beim Durchdringen des Schichtsystems in beiden Materialschichten abgegeben wird, kann die potenzielle Energie sehr ungleich auf die Schichten verteilt werden: „Das Molybdän-Disulfid reagiert sehr stark auf die hochgeladenen Ionen“, sagt Richard Wilhelm. „Ein einzelnes Ion, das auf dieser Schicht eintrifft, kann dutzende oder hunderte Atome aus der Schicht entfernen. Zurück bleibt ein Loch, das man unter dem Elektronenmikroskop sehr gut sehen kann.“ Die Graphenschicht hingegen, auf die das Projektil unmittelbar danach trifft, bleibt unversehrt: Der Großteil der Potentialenergie ist dann bereits abgeben worden.

Dasselbe Experiment kann man auch umkehren, sodass das hochgeladene Ion zuerst auf das Graphen und dann erst auf die Molybdän-Disulfid-Schicht trifft. In diesem Fall bleiben beide Schichten unversehrt: Das Graphen liefert dem Ion in winzigen Sekundenbruchteilen die nötigen Elektronen um es elektrisch zu neutralisieren. Die Beweglichkeit der Elektronen im Graphen ist dabei derart hoch, dass auch der Einschlagsort sofort „abkühlt“. Das Ion durchquert die Graphenschicht ohne eine bleibende Spur zu hinterlassen. Danach kann es auch in der Molybdän-Disulfid-Schicht keinen großen Schaden mehr anrichten.

„Das liefert uns nun eine wunderbare neue Methode, Oberflächen gezielt zu manipulieren“, sagt Richard Wilhelm. „Wir können die Oberfläche mit Nano-Poren in die Oberflächen versehen, ohne das Trägermaterial darunter zu verletzen. Somit können wir geometrische Strukturen erzeugen, die bisher unmöglich waren.“ Man könnte auf diese Weise „Masken“ aus genau nach Wunsch perforiertem Molybdän-Disulfid herstellen, auf dem sich dann genau in den Löchern bestimmte Metallatome einlagern. Für die Kontrolle der chemischen, elektronischen und optischen Eigenschaften der Oberfläche ergeben sich dadurch völlig neue Möglichkeiten.

„Wir freuen uns sehr, dass unsere gute Vernetzung über das TU Doktoratskolleg TU-D wesentlich zu diesen Ergebnissen beitragen konnte“, sagt Janine Schwestka, die als Kollegiatin über 3 Jahre Mitglied im TU-D war. „Darüber hinaus zeichnet es den Wissenschaftsstandort Wien aus, dass wir mit kurzen Wegen Kontakte zur Universität Wien knüpfen konnten, um unsere gemeinsame Expertise zu vertiefen und uns methodisch zu ergänzen.“

Für den Aufbau der ersten ultraschnellen Ionenquelle der Welt wurde Richard Wilhelm 2019 mit dem START-Preis des FWF ausgezeichnet. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
J. Schwestka et al., Atomic-Scale Carving of Nanopores into a van der Waals Heterostructure with Slow Highly Charged Ions, ACS Nano 2020

Externer Link: www.tuwien.at

Neue Schlankheitstipps für Computerchips

Presseaussendung der TU Wien vom 13.07.2020

Lange Zeit hat man in der Elektronik etwas Wichtiges vernachlässigt: Wenn elektronische Bauteile immer kleiner werden sollen, braucht man dafür passende Isolator-Materialien.

Immer kleiner und immer kompakter – das ist die Richtung, in die sich Computerchips getrieben von der Industrie entwickeln. Daher gelten sogenannte 2D-Materialien als große Hoffnungsträger: Sie sind so dünn wie ein Material überhaupt nur sein kann, im Extremfall bestehen sie nur aus einer einzigen Schicht von Atomen. Das ermöglicht die Herstellung neuartiger elektronischer Bauteile, mit winzigen Abmessungen, hoher Geschwindigkeit und optimaler Effizienz.

Allerdings zeigt sich dabei ein Problem: Elektronische Bauteile bestehen nämlich immer aus mehr als einem Material. 2D-Materialien sind nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn man sie mit passenden Materialsystemen kombinieren kann – etwa mit speziellen isolierenden Kristallen. Wenn man das nicht bedenkt, dann wird der Vorteil zunichtegemacht, den 2D-Materialien eigentlich bieten sollen. Diese Erkenntnisse präsentiert ein Team der Fakultät für Elektrotechnik der TU Wien nun im Fachjournal „Nature Communications“.

Endstation auf atomarer Skala

„Die Halbleiterindustrie verwendet heute Silizium und Siliziumoxid“, sagt Prof. Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik. „Das sind Materialien mit sehr guten elektronischen Eigenschaften. Lange Zeit hat man beim Miniaturisieren elektronischer Bauteile einfach immer dünnere Schichten dieser Materialien verwendet. Das ging lange Zeit gut – aber irgendwann stößt man an eine natürliche Grenze.“

Wenn die Silizium-Schicht nur noch wenige Nanometer dünn ist, also nur noch aus wenigen atomaren Lagen besteht, dann verschlechtern sich die elektronischen Eigenschaften des Materials sehr deutlich. „Die Oberfläche eines Materials verhält sich anders als das Innere des Materials – und wenn das gesamte Objekt praktisch nur noch aus Oberflächen besteht und kein Inneres mehr hat, kann es völlig andere Materialeigenschaften haben als man das von dickeren Schichten kennt.“

Daher muss man auf andere Materialien ausweichen, wenn man ultradünne elektronische Bauteile herstellen möchte. Und hier kommen die sogenannten 2D-Materialien ins Spiel: Sie verbinden ausgezeichnete elektronische Eigenschaften mit minimalen Dicken.

Dünne Schichten brauchen dünne Isolatoren

„Wie sich zeigt, sind diese 2D-Materialien aber nur die erste Hälfte der Geschichte“, sagt Tibor Grasser. „Die Materialien müssen auf dem passenden Untergrund angebracht werden, und auch darüber braucht man eine Isolatorschicht – und wenn dieser Isolator nicht ebenfalls extrem dünn und von extrem guter Qualität ist, dann hat man durch die 2D-Materialien nichts gewonnen. Das ist als würde man einen Ferrari auf schlammigem Untergrund fahren und sich wundern, warum man keinen Geschwindigkeitsrekord aufstellt.“

Ein Team an der TU Wien rund um Tibor Grasser und Yury Illarionov hat deshalb analysiert, wie man dieses Problem am besten löst. „Siliziumdioxid, das normalerweise in der Industrie als Isolator eingesetzt wird, eignet sich in diesem Fall nicht“, sagt Tibor Grasser. „Es hat eine sehr ungeordnete Oberfläche und viele freie, nicht gesättigte Bindungen, die die elektronischen Eigenschaften im 2D-Material stören.“

Besser ist es, nach einer möglichst geordneten Struktur Ausschau zu halten: Mit speziellen Kristallen, die Fluor-Atome enthalten, konnte das Team bereits ausgezeichnete Ergebnisse erzielen. Ein Transistor-Prototyp mit einem Kalzium-Fluorid-Isolator lieferte bereits überzeugende Daten, weitere Materialien werden noch analysiert.

„Laufend werden derzeit neue 2D-Materialien entdeckt. Das ist schön, aber mit unseren Ergebnissen wollen wir zeigen, dass das alleine noch nicht reicht“, sagt Tibor Grasser. „Diese neuen elektrisch leitenden 2D-Materialien müssen auch mit neuartigen Isolatoren kombiniert werden. Nur dann können wir es tatsächlich schaffen, eine neue Generation von effizienten und leistungsfähigen elektronischen Bauteilen im Miniaturformat herzustellen.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Y. Illiarionov et al., Insulators for 2D nanoelectronics: the gap to bridge, Nature Communications 11, 3385 (2020).

Externer Link: www.tuwien.at

Licht-Schleife koppelt Quantensysteme über Distanz

Medienmitteilung der Universität Basel vom 07.05.2020

Erstmals konnten Forscher Quantensysteme über eine grössere Distanz stark miteinander koppeln. Dies gelang mit einer neuartigen Methode, bei der eine Laserlicht-Schleife die Systeme verbindet. So können sie nahezu verlustfrei Information austauschen und miteinander wechselwirken. Die neue Methode könnte Anwendungen in Quantennetzwerken und in der Quantensensorik finden, berichten Physiker der Universitäten Basel und Hannover in der Fachzeitschrift «Science».

Die Quantentechnologie gehört derzeit zu den aktivsten Forschungsgebieten weltweit. Sie macht sich besondere Eigenschaften quantenmechanischer Zustände von Atomen, Licht oder Nanostrukturen zunutze, um beispielsweise neuartige Sensoren für Medizin und Navigation, Netzwerke für die Informationsverarbeitung oder leistungsfähigere Simulatoren für die Materialwissenschaften zu entwickeln. Diese Quantenzustände zu erzeugen erfordert meist eine starke Wechselwirkung zwischen den beteiligten Systemen, zum Beispiel zwischen mehreren Atomen oder Nanostrukturen.

Bisher war eine hinreichend starke Wechselwirkung jedoch auf kurze Distanzen beschränkt: Man platzierte dafür zwei Systeme bei tiefen Temperaturen möglichst nahe beieinander auf demselben Chip oder in derselben Vakuumkammer, wo sie durch elektro- oder magnetostatische Kräfte miteinander wechselwirken können. Eine Kopplung über grössere Distanzen ist jedoch Voraussetzung für verschiedene Anwendungen wie Quantennetzwerke oder bestimmte Arten von Sensoren.

Physikern um Prof. Dr. Philipp Treutlein vom Departement Physik der Universität Basel und dem Swiss Nanoscience Institute (SNI) ist es nun erstmalig gelungen, eine starke Kopplung von zwei Systemen über eine grössere Distanz und durch eine Raumtemperatur-Umgebung hindurch zu erzeugen. In ihrem Experiment verwendeten sie Laserlicht, um die Vibrationen einer 100 Nanometer dünnen Membran und die Bewegung des Spins von Atomen über eine Distanz von einem Meter stark aneinander zu koppeln. Dadurch setzt jede Vibration der Membran auch den Spin der Atome in Bewegung und umgekehrt.

Eine Schleife aus Licht wirkt als mechanische Feder

Das Experiment beruht auf einem Konzept, das die Forscher gemeinsam mit dem theoretischen Physiker Prof. Dr. Klemens Hammerer von der Universität Hannover entwickelt haben. Dabei wird ein Laserstrahl mehrmals zwischen den beiden Systemen hin und her geschickt. «Das Licht verhält sich dann wie eine mechanische Feder, die zwischen Atomen und Membran gespannt wird und Kräfte zwischen ihnen vermittelt», so Dr. Thomas Karg, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Basel durchgeführt hat. In dieser Schleife aus Laserlicht können die Eigenschaften des Lichts so eingestellt werden, dass keine Information über die Bewegung der beiden Systeme nach draussen gelangt, und somit deren quantenmechanische Wechselwirkung ungestört bleibt.

Die Forscher konnten dieses Konzept nun erstmals im Experiment realisieren und für eine Reihe von Experimenten verwenden. «Die Kopplung von Quantensystemen mit Licht ist sehr flexibel und vielseitig einsetzbar», so Forschungsleiter Treutlein. «Wir können den Lichtstrahl zwischen den Systemen kontrollieren und so unterschiedlichste Wechselwirkungen erzeugen, die beispielsweise für die Quantensensorik von Interesse sind.»

Ein neues Werkzeug für die Quantentechnologie

Neben der Kopplung von Atomen mit nanomechanischen Membranen könnte die neue Methode auch in vielen anderen Systemen Verwendung finden, beispielsweise bei der Kopplung von supraleitenden Quantenbits oder Spinsystemen in Festkörpern, die für das Quantencomputing erforscht werden. Das neue Verfahren zur lichtinduzierten Kopplung könnte solche Systeme zu Quantennetzwerken für die Informationsverarbeitung und Simulation verknüpfen. Treutlein ist überzeugt: «Wir haben hier ein neues und sehr nützliches Werkzeug im Baukasten der Quantentechnologie.»

Die Experimente der Basler Forscher wurden vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen des Projekts «MODULAR» sowie von der SNI-Doktorandenschule gefördert.

Originalbeitrag:
Thomas M. Karg, Baptiste Gouraud, Chun Tat Ngai, Gian-Luca Schmid, Klemens Hammerer, and Philipp Treutlein
Light-mediated strong coupling between a mechanical oscillator and atomic spins one meter apart
Science (2020), doi: 10.1126/science.abb0328

Externer Link: www.unibas.ch