Nanoröhrchen

Spins im Käfig

Carola Meyer sperrt Spins in Käfige aus Kohlenstoff-Molekülen, ist von der männlichen Übermacht in der Quantenphysik nicht zu beeindrucken und setzt bei ihren Forschungsvorhaben stärker auf Kooperationen als auf Wettbewerb.

Eine Frau steht vor einem Forschungsgerät, das mit vielen Schläuchen, Kabeln und Metallteilen komplex und futuristisch aussieht. Aus einem Behälter im unteren Teil des Geräts steigt weißer Dampf auf.
Dr. Carola Meyer

Wenn im Labor von Carola Meyer eine gute Fee vorbei käme und ihr die Antwort auf eine ungelöste Forschungsfrage anbieten würde, müsste die Fee unverrichteter Dinge wieder davonfliegen. „Ich möchte gar keine fertigen Lösungen präsentiert bekommen“, sagt die Physikerin, „mein Antrieb ist die ,Was-passiert-dann-Maschine‘ - es ist gerade der Prozess des Nachdenkens und Experimentierens, den ich an meiner Arbeit so spannend finde.“ Ihr Forschungsgebiet, die Spintronik, bietet dazu Möglichkeiten genug.

Spin statt Ladung

Bisher basiert Informationsverarbeitung mit Computern darauf, dass elektrische Ladungen transportiert werden. Bei dieser Bewegung entsteht unweigerlich auch Wärme, also unnötiger Energieverbrauch, der zudem lärmende Lüfter in Computern nötig macht. „Solche Verluste könnte eine Technik vermeiden, die sich eine andere Eigenschaft der Elektronen zunutze macht und statt ihrer Ladung den Spin verwendet“, erklärt Carola Meyer. Annähernd vorstellbar ist diese quantenmechanische Eigenschaft als eine Art Drehimpuls des Elektrons. Der Spin kann dabei zwei Zustände, „Spin-Up“ oder „Spin-Down“, annehmen. Gemessen wird er über seine Wechselwirkung mit magnetischen Feldern.

Mit Spineffekten arbeiten heute schon Leseköpfe für Computerfestplatten. Bei ihnen wird der Riesenmagnetowiderstand genutzt, der auf der quantenmechanischen Kopplung von Elektronenspins in dünnen magnetischen Schichten beruht. Entdeckt wurde dieser Effekt 1988 vom Jülicher Forscher Prof. Peter Grünberg und vom Franzosen Albert Fert, die hierfür 2007 den Nobelpreis für Physik erhielten. Noch in den Kinderschuhen steckt dagegen der Versuch, einzelne spinpolarisierte Elektronen für die Quanteninformationsverarbeitung zu manipulieren. „Wenn es gelänge, Bauelemente zu entwickeln, die auf der Umschaltung des Spins beruhen, ließen sich Informationen nicht nur mit geringem Energieaufwand, sondern auch sehr schnell verarbeiten“, so Meyer.

Grafik Das Nanoröhrchen ist als netzförmiges Geflecht aus Sechsecken gezeigt, darin sechs ebenfalls gitterförmige Kugeln. Nach links hellt sich die Grafik auf.
„Erbsenschote“

Um den Spin in den Griff zu bekommen, sperrt die Forscherin ihn ein. Dafür eignen sich Käfige aus Kohlenstoff besonders gut, erläutert sie: „Wenn der Elektronenspin mit dem Spin von Atomkernen in Wechselwirkung tritt, geht die Information verloren. Das Gute an Kohlenstoffatomen ist: Sie haben keinen Kernspin.“ Carola Meyer und ihr Team befüllen Kohlenstoffröhrchen, die einen Durchmesser von wenigen Nanometern, also Millionstel Millimeter, haben, mit kugelförmigen Molekülen aus 60 Kohlenstoffatomen. Bei manchen Experimenten ist in diesen Kugeln, den Fullerenen, auch noch jeweils ein Metallatom eingeschlossen, da dann stärkere Spineffekte erzielt werden können. Die Fullerene liegen hintereinander in der Röhre wie Erbsen in der Schote, weshalb diese Anordnung auch als „peapod“ (engl. Erbsenschote) bezeichnet wird. „Wir haben damit eine eindimensionale Spinkette, ein Modellsystem mit einer abzählbaren Zahl an Spins“, sagt Meyer. Mit spektroskopischen Methoden und unter dem Elektronenmikroskop untersucht ihr Team Struktur und Eigenschaften dieser Gebilde. Aus den „Erbsenschoten“ könnten beispielsweise Transistoren und andere Bauteile im Nanomaßstab entwickelt werden. Deren Spineigenschaften können dann in Strommessungen bei sehr kleinen Temperaturen genau untersucht werden.

Dass sie ihren Laptop in absehbarer Zeit durch einen praxistauglichen Rechner auf Basis von Quanteneffekten ersetzen kann, erwartet Carola Meyer indes nicht. „Da gab es manche voreiligen Ankündigungen“, sagt sie. Noch sei man dabei, grundlegende Eigenschaften der Quantenobjekte zu untersuchen.

Hoch qualifiziert und engagiert

Beschreibung in der Bildunterschrift.
Nanoröhrchen zwischen zwei Goldkontakten

Meyer kam 2005 mit Hilfe des Tenure-Track-Programms an das Jülicher Institut für Festkörperforschung. Dieses Programm ermöglicht es hoch qualifizierten jungen Wissenschaftlerinnen, frühzeitig eine eigene Arbeitsgruppe aufzubauen und nach einer Evaluation eine feste Stelle zu erhalten. Inzwischen wurde das Programm auch für männliche Nachwuchswissenschaftler geöffnet. „Als ich von der TU Delft in den Niederlanden nach Jülich wechselte, fand ich hier überall offene Türen und viele Möglichkeiten der Zusammenarbeit“, berichtet Meyer. Beispielhaft nennt sie das Ernst-Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen. Sie ist überzeugt: „Wenn sich solche Kooperationen nun aufgrund der Jülich Aachen Research Alliance JARA noch ausweiten, ist das sehr positiv.“ Überhaupt findet sie, dass die Rolle des Wettbewerbs in der Wissenschaft oft überbetont wird: „Wissenschaft lebt viel mehr von Austausch und Zusammenarbeit als von Konkurrenz.“

Ob es für sie auch Schwierigkeiten in der Zusammenarbeit gibt, in einem so stark von Männern dominierten Forschungsfeld? „Es stimmt zwar, dass gerade im Quantencomputing noch weniger Frauen arbeiten als sonst in der Physik“, sagt Meyer, „aber hier im Institut ist das kein Thema, das Klima ist äußerst angenehm.“ In der von ihr geleiteten Arbeitsgruppe sind Frauen sogar in der Überzahl. „Die Mitarbeiter habe ich mir selbst ausgesucht. Bewerbungen, die mit ,Dear Sir‘ anfingen, landeten gleich im Papierkorb“, schmunzelt sie. Einen Teil ihrer knappen Freizeit widmet sie dem Arbeitskreis Chancengleichheit in der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, dessen stellvertretende Sprecherin sie ist. „Für mich ist es wichtig, mich so auch gesellschaftlich zu engagieren – Fortschritte sind ja nicht nur in der Technik nötig.“