Schnellster hochpräziser 3D-Drucker

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 28.01.2020

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT entwickeln neues 3D-Drucksystem für submikrometergenaue Strukturen in Rekordgeschwindigkeit – Publikation in Advanced Functional Materials

3D-Drucker, die im Millimeterbereich und größer drucken, finden derzeit Eingang in die unterschiedlichsten industriellen Produktionsprozesse. Viele Anwendungen benötigen jedoch einen präzisen Druck im Mikrometermaßstab und eine deutlich höhere Druckgeschwindigkeit. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein System entwickelt, mit dem sich in bisher noch nicht erreichter Geschwindigkeit hochpräzise, zentimetergroße Objekte mit submikrometergroßen Details drucken lassen. Dieses System präsentieren sie in einem Sonderband der Zeitschrift Advanced Functional Materials. (DOI: 10.1002/adfm.201907795).

Um nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Zuverlässigkeit ihres Aufbaus zu demonstrieren, haben die Forscherinnen und Forscher eine 60 Kubikmillimeter große Gitterstruktur mit Details bis in den Mikrometermaßstab gedruckt, die mehr als 300 Milliarden Voxel enthält. (Ein Voxel ist das dreidimensionale Analogon des Pixels im 2D-Druck). „Mit dem Druck dieses Metamaterials schlagen wir den Rekord, der bei 3D-gedruckten Flugzeugflügeln erreicht wurde, um Längen – ein neuer Weltrekord“, erklärt Professor Martin Wegener, Sprecher des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ (3DMM2O), in dessen Rahmen das System entwickelt wurde.

Bei dieser Art von 3D-Druck durchfährt der Lichtfleck eines Lasers computergesteuert einen flüssigen Fotolack. Nur das Material im Brennpunkt des Lasers wird dabei belichtet und ausgehärtet. „Die Brennpunkte entsprechen den Düsen beim Tintenstrahldrucker, mit dem Unterschied, dass sie dreidimensional arbeiten“, sagt Vincent Hahn, Erstautor der Publikation. So entstehen hochpräzise filigrane Strukturen für verschiedene Einsatzbereiche wie Optik und Photonik, Materialwissenschaften, Biotechnologie oder Sicherheitstechnik. Typischerweise konnte man bisher mit einem einzigen Laserlichtfleck einige Hundert Tausend Voxel pro Sekunde erzeugen. Er war damit fast hundertmal langsamer als grafische Tintenstrahldrucker. Dieser Umstand hat bislang viele Anwendungen behindert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT und der Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane/Australien haben nun innerhalb des Exzellenzclusters 3DMM2O ein neues System entwickelt. Mit einer speziellen Optik wird der Laserstrahl in neun Teilstrahlen aufgeteilt, die jeweils in einen Brennpunkt gebündelt werden. Alle neun Teilstrahlen können parallel verwendet und inzwischen, dank verbesserter elektronischer Ansteuerung, auch deutlich schneller als zuvor präzise verfahren werden. Mit einigen weiteren technischen Verbesserungen kommen die Forscher im 3D-Druck so auf Druckgeschwindigkeiten von etwa zehn Millionen Voxel pro Sekunde und sind damit nun gleichauf mit grafischen 2D-Tintenstrahldruckern. Dennoch geht die Forschung und Entwicklung am KIT mit Hochdruck weiter. „Schließlich will man mit 3D-Druckern nicht nur das Pendant eines Blattes, sondern dicke Bücher ausdrucken“, so Hahn. Hierzu seien insbesondere auch Fortschritte in der Chemie erforderlich, beispielsweise müssten empfindlichere Fotolacke entwickelt werden, um mit der gleichen Laserleistung noch mehr Brennpunkte erzeugen zu können. (rl)

Originalpublikation:
Vincent Hahn, Pascal Kiefer, Tobias Frenzel, Jingyuan Qu, Eva Blasco, Christopher Barner-Kowollik and Martin Wegener: „Rapid assembly of small materials building blocks (voxels) into large func-tional 3D metamaterials“. Advanced Functional Materials, 10.1002/adfm.201907795.

Externer Link: www.kit.edu

Terahertz-Strahl bricht Rekorde

Presseaussendung der TU Wien vom 20.01.2020

An der TU Wien wurde eine neue, extrem effiziente Quelle von Terahertz-Strahlung entwickelt: Laser machen die Luft zum Plasma, dabei entsteht Strahlung mit vielen Einsatzmöglichkeiten.

Terahertz-Strahlen verwendet man bei den Sicherheitschecks am Flughafen, für medizinische Untersuchungen oder auch für Qualitätskontrollen in der Industrie. Allerdings ist Strahlung im Terahertz-Bereich extrem schwer zu erzeugen. An der TU Wien ist es nun gelungen, eine Terahertz-Strahlungsquelle zu entwickeln, die gleich mehrere Rekorde bricht: Sie ist extrem effizient, ihr Spektrum ist sehr breit – sie erzeugt unterschiedliche Wellenlängen aus dem gesamten Terahertz-Bereich. Dadurch ermöglicht sie auch die Herstellung kurzer Strahlungspulse mit sehr hoher Strahlungsintensität. Die neue Terahertz-Technologie wurde nun im Fachjournal Nature Communications präsentiert.

Die „Terahertz-Lücke“ zwischen gewöhnlichen Lasern und Antennen

„Terahertz-Strahlung hat sehr nützliche Eigenschaften“, sagt Claudia Gollner vom Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien). „Sie kann viele Materialien problemlos durchdringen, ist aber im Gegensatz zur Röntgenstrahlung unbedenklich, weil es sich nicht um ionisierende Strahlung handelt.“

Technisch gesehen befindet sich die Terahertz-Strahlung allerdings gerade im schwer zugänglichen Niemandsland zwischen zwei wohlbekannten Gebieten: Strahlung mit höherer Frequenz kann man mit Hilfe von gewöhnlichen Festkörper-Lasern erzeugen. Strahlung mit niedriger Frequenz, wie wir sie etwa für den Mobilfunk verwenden, wird von Antennen abgestrahlt. Genau dazwischen, im Terahertz-Bereich, liegen die größten Herausforderungen.

In den Laserlabors der TU Wien muss daher einiges an Aufwand betrieben werden, um die gewünschten hochintensiven Terahertz-Strahlungspulse zu erzeugen. „Unser Ausgangspunkt ist die Strahlung eines Infrarot-Lasersystems. Es wurde bei uns am Institut für Photonik entwickelt und ist in seiner Form einzigartig auf der Welt“, sagt Claudia Gollner. Zunächst wird das Laserlicht durch ein sogenanntes „nichtlineares Medium“ geschickt. In diesem Material wird die Infrarot-Strahlung verändert, ein Teil davon wird in Strahlung mit doppelt so hoher Frequenz umgewandelt.

„Nun haben wir also zwei verschiedene Arten von Infrarot-Strahlung. Diese beiden Strahlungsanteile werden dann miteinander überlagert. So entsteht eine Welle, deren elektrisches Feld eine ganz bestimmte asymmetrische Form aufweist“, erklärt Gollner.

Ein Plasma aus heißer Luft

Diese elektromagnetische Welle ist intensiv genug, um Elektronen aus den Molekülen der Luft herauszureißen. Die Luft verwandelt sich in ein glühendes Plasma. Durch die spezielle Form der Infrarot-Welle werden die Elektronen dann so beschleunigt, dass dabei die gewünschte Terahertz-Strahlung entsteht.

„Unsere Methode ist extrem effizient: 2,3 % der zugeführten Energie wird in Terahertz-Strahlung umgewandelt – das ist um Größenordnungen mehr als man mit anderen Methoden erreicht. Das  führt zu außergewöhnlich hohen Terahertz-Energien von beinahe 200 µJ“, sagt Claudia Gollner. Ein weiterer wichtiger Vorteil der neuen Methode ist, dass ein sehr breites Spektrum an Terahertz-Strahlung erzeugt wird. Ganz unterschiedliche Wellenlängen aus dem Terahertz-Bereich werden gleichzeitig emittiert. Dadurch entstehen extrem intensive kurze Strahlungspulse. Je größer das Spektrum unterschiedlicher Terahertz-Wellenlängen, umso kürzere und intensivere Pulse lassen sich generieren.

Große Hoffnung auf zahlreiche Anwendungen

„Damit steht nun erstmals eine Terahertz-Quelle für extrem hohe Strahlungsintensitäten zur Verfügung“, sagt Andrius Baltuska, der Leiter der Forschungsgruppe an der TU Wien. „Erste Experimente mit Zink-Tellurid-Kristallen zeigen bereits, dass sich die Terahertz-Strahlung ausgezeichnet eignet, um materialwissenschaftliche Fragen auf ganz neue Weise zu untersuchen. Wir sind überzeugt davon, dass diese Methode eine große Zukunft hat.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Koulouklidis et al., Observation of extremely efficient terahertz generation from mid-infrared two-color laser filaments, Nature Communications 11, 292 (2020).

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Innsbrucks Quantencomputer unterstützen Quantensoftware-Tool Qiskit

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 05.11.2019

Die Quantencomputer von Alpine Quantum Technologies GmbH und Universität Innsbruck unterstützen nun Qiskit, eine führende Open-Source-Programmiersprache, die ursprünglich von IBM entwickelt und von Wissenschaftlern aus aller Welt weiterentwickelt wurde. Qiskit besitzt eine Vielzahl von Algorithmen und Anwendungen, die nun über die Cloud auf den Quantencomputern in Innsbruck verfügbar sind.

Quantencomputer werden Anwendungen in der Chemie, Logistik, Finanzen und vielen anderen Bereichen finden. Aktuell gibt es einen Wettlauf zwischen verschiedenen Technologien zur Realisierung eines Quantencomputers – darunter gespeicherte Ionen, supraleitende Schaltungen, einzelne Photonen und viele mehr. Im Gegensatz zur Vielfalt der technischen Ansätze gibt es nur sehr wenige Quantenprogrammiersprachen, wobei Qiskit das am häufigsten verwendete Entwicklungskit für Quantensoftware ist. Qiskit enthält eine große Bibliothek von Algorithmen, Routinen und Anwendungen. Bislang konzentrierte sich Qiskit vor allem auf die supraleitende Plattform – was sich nun ändert.

Innsbruck und IBM

Im Anschluss an ein internationales Qiskit-Camp in der Schweiz haben Studierende der Universität Innsbruck und Mitarbeiter von Alpine Quantum Technologies (AQT) mit IBM an der Erweiterung der Fähigkeiten von Qiskit gearbeitet. Quantenentwickler können nun auf Knopfdruck Verschränkung erzeugen und untersuchen, neue Quantenalgorithmen entwickeln und neuartige Quantenanwendungen auf Geräten von IBM, AQT und der Universität Innsbruck realisieren. „Als wir Qiskit im März 2017 auf den Markt brachten, war unser Ziel ehrgeizig, aber einfach – eine offene Softwareplattform zu schaffen, um Quantenprogramme zu erstellen, sie auf verschiedene Geräte abzubilden und sie auf Simulatoren und verschiedenen Arten von echter Hardware auszuführen“, sagte Dr. Walter Riess, Manager von IBM Q Europe und IBM Research. „Diese offene Strategie hat es uns nun ermöglicht, unsere Community über unsere eigenen supraleitenden Qubit-Geräte hinaus auf Ionenfallen mit AQT auszudehnen, die die Qiskit-Schnittstelle für ihr Gerät in nur drei Tagen entwickelt und ausgeführt haben.“ Dr. Philipp Schindler von der Universität Innsbruck erklärt: „Mehrere unserer Forschungspartner setzen Qiskit bereits ein. Durch die Integration der Innsbrucker Quantencomputer als Backend in Qiskit können unsere Partner ihre Ideen direkt auf unseren Geräten umsetzen. Das wird unsere wissenschaftliche Forschung deutlich stärken.“ Neben der Grundlagenforschung profitieren auch anwendungsorientierte Entwickler von diesen neuen Möglichkeiten. Das Quantencomputer-Startup AQT in Innsbruck hat eine wachsende Anzahl von Kunden mit unterschiedlichen Interessen. AQT-Geschäftsführer Dr. Thomas Monz freut sich „unseren Kunden mitzuteilen, dass wir Qiskit nun als Programmiersprache unterstützen. Qiskit wird uns und unseren Partnern die Entwicklung neuer Anwendungen erleichtern.“ Thomas Monz und Philipp Schindler sind überzeugt, dass die Unterstützung von Qiskit dem Standort Innsbruck helfen wird, die Zahl der Forschungspartner und Kunden zu erhöhen.

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Weltrekord-Material macht aus Wärme Elektrizität

Presseaussendung der TU Wien vom 14.11.2019

Ein neuartiges Material erzeugt aus Temperaturunterschieden sehr effizient elektrischen Strom. Damit können sich Sensoren und kleine Prozessoren kabellos selbst mit Energie versorgen.

Thermoelektrische Materialien können Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln. Das liegt am sogenannten Seebeck-Effekt: Wenn zwischen den beiden Enden eines solchen Materials ein Temperaturunterschied besteht, wird elektrische Spannung generiert und Strom kann fließen. Wie viel elektrische Energie bei einer gegebenen Temperaturdifferenz gewonnen werden kann, wird mit Hilfe des sogenannten ZT-Wertes gemessen: Je höher der ZT-Wert eines Materials ist, umso besser sind seine thermoelektrischen Eigenschaften. Beste bisherige Thermoelektrika kamen auf ZT-Werte von etwa 2,5 bis 2,8. Am Christian Doppler Labor für Thermoelektrische Materialien an der TU Wien gelang es nun, ein völlig neues Material zu entwickeln, mit einem ZT-Wert von 5 bis 6. Es handelt sich dabei um eine dünne Schicht aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium, aufgetragen auf einem Silizium-Kristall.

Das neue Material ist so effektiv, dass man es in Zukunft verwenden könnte, um Sensoren oder auch kleine Computerprozessoren mit Energie zu versorgen. Anstatt kleine elektrische Geräte an Kabeln anzuschließen, könnten sie ihren eigenen Strom aus Temperaturdifferenzen generieren. Im Fachjournal „Nature“ wurde es nun erstmals präsentiert.

Elektrizität und Temperatur

„Ein gutes thermoelektrisches Material muss einen großen Seebeck-Effekt besitzen und daneben zwei Anforderungen erfüllen, die schwer miteinander vereinbar sind“, sagt Prof. Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Einerseits soll es elektrischen Strom möglichst gut leiten; andererseits soll aber Wärme möglichst schlecht transportiert werden.“ Das ist eine Herausforderung, denn gewöhnlich hängen elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit eng miteinander zusammen.

Am Christian-Doppler-Labor für Thermoelektrizität, das Ernst Bauer 2013 an der TU Wien eröffnete, wurde in den letzten Jahren intensiv an unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien für unterschiedliche Einsatzzwecke gearbeitet. Und dabei stieß man nun auf ein ganz besonders bemerkenswertes Material – eine Kombination aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium.

„Die Atome in diesem Material sind normalerweise streng regelmäßig angeordnet, in einem sogenannten flächenzentrierten kubischen Gitter“, sagt Ernst Bauer. „Der Abstand zwischen zwei Eisenatomen ist immer gleich groß, dasselbe gilt für die anderen Atomsorten. Der ganze Kristall ist daher völlig regelmäßig aufgebaut.“ Wenn man das Material allerdings als dünne Schicht auf Silizium aufträgt, passiert etwas Erstaunliches: Die Struktur verändert sich radikal. Zwar bilden die Atome auch auf Silizium immer noch ein kubisches Muster, allerdings mit raumzentrierter Anordnung. Daher ist die Verteilung der unterschiedlichen Atomsorten nun völlig zufällig. „Da können zwei Eisenatome nebeneinandersitzen, die Plätze daneben sind von Vanadium oder Aluminium besetzt, und es gibt keine Regel mehr, die vorschreibt, an welchen Orten im Kristall wieder das nächste Eisenatom zu finden ist“, erklärt Bauer.

Durch diese Mischung aus Regelmäßigkeit und Unregelmäßigkeit der Atomanordnung verändert sich auch die elektronische Struktur, die bestimmt, wie sich Elektronen im Festkörper bewegen. „Die elektrische Ladung bewegt sich dann auf eine andere Weise durch das Material, sodass sie von Streuprozessen geschützt ist. Man spricht hier von sogenannten Weyl-Fermionen“, sagt Ernst Bauer. Auf diese Weise erreicht man einen sehr geringen elektrischen Widerstand. Gitterschwingungen hingegen, die die Wärme von Orten hoher zu Orten niedriger Temperatur transportieren, werden durch diese Unregelmäßigkeiten im Kristallaufbau gestört. Die Wärmeleitfähigkeit sinkt. Das ist wichtig, wenn aus einem Temperaturunterschied dauerhaft elektrische Energie gewonnen werden soll – denn wenn Temperaturunterschiede sehr schnell ausgeglichen werden könnten, hätte bald das gesamte Material überall dieselbe Temperatur und der thermoelektrische Effekt käme zum Erliegen.

Strom für das „Internet of Things“

„Eine derart dünne Schicht kann natürlich keine beliebig großen Energiemengen generieren – aber dafür ist sie extrem kompakt und anpassungsfähig“, sagt Ernst Bauer. „Wir wollen damit eine Energieversorgung für Sensoren und kleine elektronische Anwendungen ermöglichen.“ Der Bedarf dafür wird immer größer: Im „Internet of Things“ werden unterschiedlichste Geräte online miteinander verknüpft, damit sie ihr Verhalten automatisch aufeinander abstimmen. Besonders zukunftsträchtig ist das in großen Produktionsanlagen, wo eine Maschine dynamisch auf den Zustand der anderen reagieren soll.

„Wenn man in einer Fabrik eine große Anzahl an Sensoren benötigt, kann man die nicht alle verkabeln, das würde irgendwann ein unüberblickbares Chaos ergeben“, meint Bauer. „Viel klüger ist es, wenn sich die Sensoren ganz von selbst mit Energie versorgen, etwa über ein kleines, effizientes thermoelektrisches Element, dass die Abwärme einer Maschine nutzt. Damit kann auch gleich ein kleiner Prozessor betrieben werden, der die Daten auswertet und dann per WLAN zur zentralen Steuereinheit schickt.“

Genau diesen Markt soll das neue thermoelektrische Material nun voranbringen. Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen des Christian-Doppler-Labors für Thermoelektrizität an der TU Wien statt. Unternehmenspartner ist die Firma AVL Graz, wissenschaftliche Partner das „National Institute of Material Science, NIMS“, Japan und der „Chinese Academy of Sciences“, China. Gemeinsam mit dem Unternehmenspartner wurden bereits zwei Patente eingereicht – mit Unterstützung der Forschungs- und Transfersupports der TU Wien. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
B. Hinterleitner et al., Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy, Nature (2019)

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Quanteninternet nimmt Gestalt an

Presseaussendung der Universität Innsbruck vom 29.08.2019

Ein Team um den Innsbrucker START-Preisträger Ben Lanyon hat erstmals ein mit Materie verschränktes Lichtteilchen über ein 50 Kilometer langes Glasfaserkabel übertragen. Dies ebnet den Weg für die praktische Nutzung von Quantennetzwerken und bedeutet einen Meilenstein auf dem Weg zu einem zukünftigem Quanteninternet.

Das Quanteninternet verspricht absolut abhörsichere Kommunikation und leistungsstarke verteilte Sensornetzwerke für Forschung und Technologie. Weil Quanteninformation nicht kopiert werden kann, ist eine Informationsübertrag über ein klassisches Netzwerk aber nicht möglich. Die Quanteninformation muss mittels Quantenteilchen übertragen werden, und dafür braucht es spezielle Schnittstellen. An diesen wichtigen Knotenpunkten eines zukünftigen Quanteninternets forscht der Innsbrucker Experimentalphysiker Ben Lanyon, der für seine Forschungen 2015 mit dem österreichischen START-Preis ausgezeichnet wurde. Nun ist seinem Team am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein Rekord für die Übertragung von Quantenverschränkung zwischen Materie und Licht gelungen. Erstmals konnte über Glasfaserkabel eine Distanz von 50 Kilometern überwunden werden. „Das ist um zwei Größenordnungen weiter als es bisher möglich war und eine praktikable Distanz für den Bau von regionalen Quantennetzwerken“, freut sich Ben Lanyon.

Licht für Übertragung umgewandelt

Lanyons Team nutzte ein in einer Ionenfalle gefangenes Kalziumatom als Ausgangspunkt für das Experiment. Mit Laserstrahlen schreiben die Forscher einen Quantenzustand in das Ion ein und regen es gleichzeitig zur Aussendung eines Photons an, in dessen Polarisation Quanteninformation gespeichert ist. Die Quantenzustände des Atoms und des Lichtteilchens werden dabei verschränkt. Die Herausforderung besteht nun darin, das Photon durch Glasfaserkabel zu übertragen. „Denn das vom Kalziumion emittierte Photon besitzt eine Wellenlänge von 854 Nanometern und wird vom Glasfaserkabel sehr rasch absorbiert“, erklärt Ben Lanyon. Sein Team schickt deshalb das Lichtteilchen zunächst durch einen nichtlinearen Kristall, der mit einem starken Laser angestrahlt wird. Dabei wird die Wellenlänge des Photons auf den optimalen Wert für lange Strecken umgewandelt: die aktuelle Standardwellenlänge des Telekommunikationsnetzes von 1550 Nanometern. So schicken die Innsbrucker Forscher das Photon durch eine 50 Kilometer lange Glasfaserleitung. Messungen zeigen, dass Atom und Lichtteilchen auch nach der Wellenlängenänderung und der langen Reise noch verschränkt sind.

Noch größere Distanzen im Blick

Als nächsten Schritt zeigen Ben Lanyon und sein Team, dass ihre Methode dazu geeignet ist, Ionen über eine Distanz von 100 und mehr Kilometern zu verschränken. Zwei Knoten senden ein verschränktes Photon über eine Distanz von 50 Kilometern zu einer Zwischenstation, wo die Lichtteilchen so vermessen werden, dass sie ihre Verschränkung mit den Ionen verlieren, wodurch diese wiederum miteinander verschränkt würden. Da nun ein 100 Kilometer langer Abstand zwischen den Schnittstellen möglich ist, wäre es vorstellbar in den kommenden Jahren das weltweit erste Intercity-Licht-Materie-Quantennetzwerk zu bauen: Nur eine Handvoll Ionenfallensysteme würden benötigt, um beispielsweise ein Quanteninternet zwischen Innsbruck und Wien aufzubauen.

Lanyons Team ist Teil der Quantum Internet Alliance, einem internationalen Projekt im Rahmen des Quantum Flagship der Europäischen Union. Die aktuellen Ergebnisse wurden im Nature Fachmagazin Quantum Information veröffentlicht. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem durch den österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und die Europäische Union.

Publikation:
Light-matter entanglement over 50 km of optical fibre. V. Krutyanskiy , M. Meraner, J. Schupp, V. Krcmarsky, H. Hainzer and B. P. Lanyon. npj Quantum Information 2019 DOI: 10.1038/s41534-019-0186-3 (Open Access)

Externer Link: www.uibk.ac.at